Can bus: ce este + avantaje și aplicații ale sistemului

 

Tehnologia modernă are un rol esențial în toate laturile societății. Foarte multe domenii au beneficiat de avantajele oferite, printre acestea numărându-se și industria automotive. În ultimii 30 de ani a avut loc o evoluție impresionantă în privința siguranței, eficienței și durabilității automobilelor, în parte mulțumită și implementării a unor sisteme de microcontrolere, care îndeplinesc sarcini importante în acest sens. Aceste unități de control electronic, cunoscute și sub numele de noduri, sunt interconectate pentru a funcționa împreună printr-un sistem de transmisie a datelor, numit Controller Area Network sau Can bus. 

 

În articolul de mai jos vei afla ce este sistemul can bus și cum funcționează el, precum și rolul lui în tehnologia modernă, a automobilelor. În plus, vei descoperi care sunt avantajele și aplicațiile utilizării sale și vei înțelege ce rezervă viitorul în această privință. 

 

Cuprins

1. Ce este can bus-ul?

1.1. Scurt istoric al sistemului can bus

1.2. Principiile de funcționare ale can bus-ului

2. Aplicațiile și avantajele can bus-ului

2.1. Principalele aplicații ale sistemului can bus

2.2. Avantajele utilizării arhitecturii can bus

3. Viitorul sistemului can bus

 

1. Ce este can bus-ul?

 

Automobilele moderne funcționează nu doar cu ajutorul motorului din dotare, ci și prin intervenția a peste 70 de sisteme implicate într-o diversitate de aplicații ce țin de siguranța în trafic, de confort și de fiabilitate. Aceste sisteme pot fi asemănate cu organele corpului omenesc, fiind important ca fiecare dintre ele să-și facă datoria. Mai mult decât atât, ele comunică între ele, utilizând informațiile necesare pentru a se putea lua deciziile corecte. Comunicarea dintre aceste noduri este asigurată printr-un sistem fiabil, ce funcționează asemănător cu sistemul nervos al organismului uman. 

 

Principiul de funcționare a sistemului a fost implementat cu 40 de ani în urmă ca o soluție de comunicare între microcontrolere, fără a fi necesari kilometri întregi de cablu, utilizându-se doar o magistrală cu două cabluri, folosită în comun de toate sistemele auxiliare. Această magistrală a primit numele de can bus, care este, de fapt, o prescurtare a sintagmei Controller Area Network. 

 

1.1. Scurt istoric al sistemului can bus

Introducerea dispozitivelor electrice din automobile are o vechime de peste 100 de ani, atunci când Ford a dotat mașinile construite de el cu faruri și claxon. Aceste dispozitive erau controlate prin intermediul unor cabluri izolate ce legau comenzile cu bateria și consumatorul în sine. În timp, numărul acestora a crescut foarte mult, ajungându-se ca în anii ‘60 mașinile să fie dotate cu kilometri întregi de fire care au complicat sistemul electronic al mașinii și au adăugat greutate. În plus, defecțiunile în această privință erau greu de remediat. 

 

În anii ‘80, au fost făcute primele încercări pentru a se limita cantitatea de cabluri electrice utilizate în automobile, un pas important fiind făcut de firma Bosch, care, în 1986, a prezentat în cadrul unui Congres de automobilistică de la Detroit principiul de funcționare a unui sistem care să limiteze drastic cantitatea de cabluri utilizate pentru conectarea microcontrolerelor. Un an mai târziu, compania Intel a scos pe piață primele cipuri dotate cu controlere de tip CAN. În 1991, compania Mercedes a produs primul automobil care încorpora tehnologia, iar de atunci sistemul a fost utilizat de tot mai mulți producători, în prezent, practic, toate automobilele fiind dotate astfel. 

 

Pentru a nu apărea situații complicate, în 1993, a fost introdus un standard de tip ISO, și anume cel cu numărul 11898, care a evoluat mai târziu în cele trei standarde utilizate și în prezent. Astfel, în industria automobilelor, dominante sunt trei tipuri definite de acest standard:

 

• Sistemul can bus de viteză scăzută este utilizat de microcontrolerele care nu cer rate înalte de transmisie a datelor, aceasta fiind situată la maximum 125 kbps. În acest caz, cablurile sunt economice, sistemul fiind folosit pentru punerea unui diagnostic, pentru controlerele de la bord sau pentru comanda geamurilor electrice;

 

• Sistemul can bus de viteză mare, cu rate de transfer de până la 1 Mbit pe secundă, utilizate la subsisteme importante, precum airbagurile, controlul motorului, sistemul electronic de stabilitate sau sistemul ABS;

 

• Sistemul can bus FD (Flexible Data Rate CAN) ce funcționează la viteze de până la 8 Mbit pe secundă este considerat viitorul can bus-ului, datorită posibilității de a conecta un număr din ce în ce mai mare de subsisteme. Mai mult decât atât, lungimea mesajelor a crescut de la 8 bytes la 64 de bytes, ceea ce permite, bineînțeles, transmiterea unor informații mai cuprinzătoare.

 

1.2. Principiile de funcționare ale can bus-ului

Diferitele microcontrolere, cunoscute și sub numele de noduri, sunt constituite fiecare dintre ele dintr-un procesor, un controller de tip CAN și un modul de transmitere și primire a datelor. Nodurile comunică între ele printr-o singură rețea formată din doar două cabluri (CAN low și CAN high). 

 

Mesajele microcontrolerelor sunt trimise în toată rețeaua, dar sunt preluate doar de acele noduri care necesită prezența acestor informații. Mai mult de atât, mesajele sunt prioritizate, fiind preluate mai întâi cele mai importante, apoi cele mai puțin esențiale, astfel rețeaua nefiind niciodată supraaglomerată. 

 

Dacă se vrea ca nodurile să funcționeze corespunzător, atunci mesajele trimise în rețea de fiecare trebuie să fie împărțite în 4 categorii. 

 

• Mesaje care transferă date de la un nod către altul sau către mai multe noduri;

• Mesaje de cerere de date, de la un nod către alte noduri;

• Mesaje de eroare prin intermediul cărora se raportează problemele din sistem;

• Mesajele de supraîncărcare prin care se raportează existența prea multor mesaje concomitente și are loc o prioritizare a acestora în funcție de importanța lor. 

 

Comunicațiile de tip can funcționează după principiul unei rețele peer - to - peer. Acest lucru înseamnă că nu există un nod principal care le controlează pe cele secundare și care decide când nodurile individuale au acces la rețea pentru a transmite sau a primi informații de la alte noduri. Atunci când un nod trebuie să transmită un pachet de date, trimite pachetul de date în rețea fără a-i da o adresă de plecare sau de destinație, eliberându-l, pur și simplu, în rețea. Fiecare pachet primește un număr de identificare unic, pe baza căruia alte noduri decid dacă au nevoie sau nu de respectiva informație. 

 

Depinzând de acest număr de identificare, nodurile decid dacă acceptă sau nu informația. În cazul în care mai multe noduri trimit în rețeaua can bus informații în același timp, are loc automat un proces de prioritizare a pachetelor de date. Cele cu prioritate redusă stau în așteptare până când rețeaua se eliberează de cele cu prioritate înaltă. În acest mod nu vor apărea blocaje ale rețelei și nici întârzieri ale mesajelor importante, de care depinde siguranța automobilului. 

2. Aplicațiile și avantajele can bus-ului

Introducerea sistemului can bus a îmbunătățit exponențial automobilele ce îl utilizau. În timp, sistemul a fost folosit din ce în ce mai mult într-o gamă largă de aplicații, precum lifturi, avioane, echipamente medicale, sisteme de mentenanță predictive etc. 

 

 

2.1. Principalele aplicații ale sistemului can bus

Automobilele moderne nu mai pot exista astăzi fără utilizarea sistemului can bus, deoarece avantajele oferite de acesta sunt majore. Cele mai importante aplicații în domeniul auto sunt următoarele:

 

• Obținerea de date prin intermediul sistemului OBD2 ce pot fi utilizate într-o varietate de instanțe, cum ar fi reducerea substanțială a consumului de combustibil al mașinii, îmbunătățirea stilului de condus al șoferului, testarea unor subansamble și chiar pentru asigurările auto în caz de accident;

 

• Mentenanța predictivă a subansamblelor automobilelor este o altă aplicație a sistemului, în acest mod putându-se interveni înainte de apariția unei probleme, ceea ce extinde sensibil durata de viață a acestora;

 

• Datele furnizate de sistemul CAN pot fi utilizate și ca o adevărată cutie neagră ce ar putea să clarifice anumite situații, precum accidente sau defecțiuni imputabile.

 

Printre sistemele care beneficiază de prezența magistralei CAN se numără și cele care urmează: 

 

• Controlul motorului;

• Sistemul de frânare ABS;

• Cutia de viteze;

• Mecanismul de direcție;

• Airbagurile;

• Blocarea ușilor din telecomandă;

• Sistemul de senzori pentru parcare;

• Senzorii de presiune pentru roți;

• Senzorii de lumină pentru aprinderea automată a farurilor;

• Controlul ștergătoarelor;

• Sistemul audio;

• Tableta de bord multifuncțională;

• Alarma auto;

• Sistemul de diagnoză OBD2.

 

Pe lângă industria automobilelor, și alte domenii au mult de câștigat în urma încorporării acestui sistem can bus. Un exemplu ar fi echipamentul medical modern, lifturile și scările rulante, industria aeronautică și aerospațială, chiar industria de entertainment.  

 

2.2. Avantajele utilizării arhitecturii can bus

Avantajele sistemului sunt numeroase, fapt dovedit și de viteza cu care producătorii au adoptat standardele apărute cu puțin timp înainte. Printre acestea se numără cele de mai jos:

 

• Este un sistem simplu și ieftin. Utilizându-se doar două fire se reduc costurile, greutatea automobilului, dar și posibilitatea apariției unor erori. În plus, componentele sistemului sunt unele ieftine, disponibile pe scară largă și foarte rezistente;

 

• Este foarte robust, rezistând cu succes la interferențe electromagnetice și la apariția unor probleme de tip scurtcircuit;

 

• Este centralizat, ceea ce permite ca toată rețeaua să fie accesată printr-un singur nod, utilizatorii având astfel acces la o gamă largă de informații, ce pot fi folosite pentru diagnostic și întreținere;

 

• Este eficient prin introducerea unor prioritizări ale mesajelor, cele mai importante având acces imediat la sistem, în fața celor mai puțin importante;

 

• Utilizează o cantitate redusă de cabluri electrice, ceea ce, bineînțeles, duce la reducerea greutății autovehiculelor;

 

• Este dotat cu posibilitatea recunoașterii mesajelor cu erori, care sunt ignorate de către nodurile rețelei;

 

• Poate fi îmbunătățit prin montarea unor noi kituri electrice, un exemplu în acest sens este dispozitivul ce permite utilizarea unei remorci, fără afectarea siguranței autovehiculului. Această componentă are trei funcții principale, și anume dezactivează senzorii de parcare în momentul în care este cuplată remorca la instalația electrică a cârligului de remorcare, dezactivează lampa de ceață stânga, evitându-se efectul de reflexie a luminii roșii în oglindă, și conectează becurile de iluminat ale remorcii. 

 

3. Viitorul sistemului can bus

 

În ultimii ani s-a observat o anumită limitare a sistemului în condițiile în care din ce în ce mai multe subansamble electronice sunt adăugate automobilelor. Pentru a face față acestor modificări, a fost introdus un nou standard, cel numit CAN FD, cu viteze mult superioare și cu multiple posibilități de încorporare a noilor tehnologii emergente:

 

• Nevoia de creștere a funcționalității autovehiculelor;

• Apariția autovehiculelor autonome, ce se conduc singure;

• Conectarea automobilelor într-o rețea cu ajutorul tehnologiei de tip Cloud;

• Dezvoltarea tehnologiei Internet of Things (IoT).

 

Noul standard introdus a pătruns doar în câteva modele superperformante, dar se prevede ca în viitor acesta să fie utilizat din ce în ce mai mult, înlocuind sistemul clasic. Nevoia de înlocuire vine din cele trei avantaje oferite de sistemul CAN FD: 

 

• Oferă viteze de transmitere a datelor de până la 8 Mbit/s, esențiale în situațiile în care orice fracțiune de secundă este importantă pentru securitatea în trafic, în condițiile în care vitezele sunt din ce în ce mai mari;

• Permite transmiterea unor mesaje de până la 8 ori mai mari decât cele clasice, capabilitatea esențială în condițiile în care datele transmise de la noduri sunt din ce în ce mai stufoase;

• Oferă posibilitatea autentificării utilizatorului, ceea ce asigură o securitate crescută în condițiile în care se întrevede ca în viitor toate automobilele să fie conectate la Internet. Acest lucru ar putea să permită unor persoane rău intenționate să aibă acces la diverse subsisteme ale mașinii.

 

Sistemul CAN FD va deveni, cu siguranță, tot mai important în viitorul apropiat, odată cu pătrunderea pe piață a autovehiculelor electrice. Acestea folosesc concepte noi în ceea ce privește motorizarea, încărcarea bateriilor, controlul motorului, elemente ce nu pot fi manageriate în mod eficient de vechiul standard CAN. 

 

Un alt domeniu ce va avea de câștigat de pe urma noului standard CAN este reprezentat de sistemul de asistență avansată a conducătorului auto, care îmbunătățește în mod sensibil siguranța condusului. 

 

În concluzie, utilizatorii de automobile și alte persoane implicate în domeniul tehnic ar trebui să cunoască ce este sistemul can bus și care sunt principiile de funcționare ale acestuia pentru a se putea bucura de întreaga gamă de avantaje pe care acesta îl oferă. 

 

Sursa foto: Shutterstock.com