CAN fiziksel katmanı: gerilimler, kablolama ve sonlandırma

01CAN neden diferansiyel sinyal kullanır

Araç, veri için zorlu bir ortamdır. Ateşleme bobinleri, enjektör sürücüleri, invertörlerin anahtarlama kenarları ve marş motoru akımları kablo demetine sürekli gürültü basar; marş sırasında bir kamyonun önündeki şase potansiyeli, arkadaki şaseden birkaç volt uzaklaşabilir. Tek bir teli yerel şaseyle karşılaştıran tek uçlu sinyal yapısı, bu bozulmaların her birini veri sanardı.

ISO 11898-2 ile tanımlanan yüksek hızlı CAN, bu sorunu her biti iki tel arasındaki fark olarak göndererek çözer: CAN-H ve CAN-L, birlikte bükümlü çift olarak döşenir. Gürültü her iki iletkene de neredeyse eşit biçimde biner ve iki gerilimi birlikte yukarı ya da aşağı kaydırır. Alıcı bu ortak kaymayı yok sayar, yalnızca farka bakar.

Büküm en az çift kadar önemlidir. Her yarım tur, iki telin oluşturduğu halkanın yönünü ters çevirir; böylece manyetik alan ardışık yarım turlarda zıt gerilimler indükler ve bunlar büyük ölçüde birbirini sıfırlar. Aynı etki ters yönde de çalışır: eşit ve zıt akımlar sayesinde çiftin kendi alanları birbirini götürür, hat da radyoya ve yanından geçen her sensör hattına karşı sessiz kalır.

02Resesif ve dominant: hattın iki durumu

CAN, birleri ve sıfırları simetrik biçimde sürmez. Mantıksal 1, resesif (çekinik) durumdur: tüm transceiver'lar hattı serbest bırakır, sonlandırma da iki hattı aynı gerilime, nominal 2,5 V'a çeker. Mantıksal 0 ise dominant (baskın) durumdur: en az bir verici CAN-H'yi aktif olarak 3,5 V'a doğru yukarı, CAN-L'yi 1,5 V'a doğru aşağı çeker ve yaklaşık 2 V'luk bir fark oluşur.

Serbest bırakılmış bir hat dominant seviyeyi tutamayacağı için, tek bir dominant verici her zaman istediği sayıda resesif vericiyi bastırır. Bu kablolu-VE (wired-AND) davranışı bir yan etki değildir; CAN çerçeveleri ve arbitrasyon yazısında anlatılan, veriyi bozmayan arbitrasyonun, onay mekanizmasının ve hata bildiriminin temelidir.

Alıcı eşikleri ve gürültü payı

Alıcıların 2 V'un tamamına ihtiyacı yoktur. ISO 11898-2, 0,5 V'un altındaki diferansiyel gerilimin resesif, 0,9 V'un üstündekinin dominant okunmasını şart koşar; aradaki bant tanımsızdır. Sağlıklı bir verici, toleransının en alt ucunda bile dominant eşiğin 0,6 V üzerinde kalır. Uzun bir kablo demetindeki kablo direncini, konnektör kayıplarını ve yansımaları sönümleyen işte bu paydır.

Fazladan bir sonlandırma direncinin hattı nadiren tamamen çökertmesinin nedeni de budur: düşen yük dominant seviyeyi 0,9 V sınırına doğru indirir; ağ tezgâhta çalışır, araçta ise aralıklı olarak hata verir. Ölçülen paylar, hattın sağlığı hakkında basit bir “haberleşiyor” kontrolünden çok daha fazlasını anlatır.

Ortak mod aralığı ve şase farkı

Her ECU, transceiver'ını kendi yerel şasesine referanslar ve araçta bu şaseler hiçbir zaman birebir aynı değildir. Şase dönüş yollarındaki büyük akımlar, özellikle marş sırasında, birbirinden uzak modüller arasında bir volt ve üzeri farklar yaratır. Diferansiyel alıcı, iki hat da ortak mod aralığında kaldığı sürece buna dayanır. ISO 11898-2'nin ilk sürümleri −2 V ile +7 V arasında doğru alım isterdi; 2016 sürümü alıcı gereksinimini −12 V ile +12 V arasına genişletti ve hat pinlerinin −27 V ile +40 V arasına dayanmasını şart koştu. Pek çok otomotiv transceiver'ı bunun da ötesine geçer.

Bu aralık geniştir ama sınırsız değildir. Şase farkları, alternatör dalgalanması ve özensiz montajın yarattığı şase döngüleri bu bütçeden yer. Montajda en iyi uygulamalar yazısındaki önerilerin büyük kısmı, bu bütçeyi korumak içindir.

03Sonlandırma: neden iki uçta 120 Ω

CAN hattı bir iletim hattıdır. Bir transceiver kenarı onlarca nanosaniyede yükselir; bu yüzden birkaç metrelik kablo bile basit bir tel gibi değil, karakteristik empedansı olan bir hat gibi davranır. Bir kenar sonlandırılmamış bir uca ulaştığında yansır ve arkasından gelen bitlerle çarpışır. Çözüm, omurganın her iki fiziksel ucuna kablonun nominal 120 Ω'luk empedansına eşlenmiş bir sonlandırma direnci koymaktır; bu direnç ilerleyen dalgayı yansıtmak yerine yutar.

Hattan bakıldığında iki sonlandırma paralel görünür:

Sonlandırma dirençlerinin kolayca gözden kaçan ikinci bir görevi daha vardır. Vericinin sürüş akımını dominant diferansiyel gerilime dönüştüren yük onlardır; her dominant bitin sonunda hat kapasitansını boşaltarak resesif durumun hızla geri gelmesini de onlar sağlar. Eksik sonlandırmanın da fazla sonlandırmanın da sorun çıkarmasının nedeni budur; yalnızca sorunların türü farklıdır.

Bölünmüş sonlandırma

Hat ucunda duran pek çok ECU bölünmüş sonlandırma kullanır: CAN-H ile CAN-L arasında seri bağlı iki adet 60 Ω direnç ve bunların orta noktasını şaseye bağlayan küçük bir kondansatör, genellikle 4,7 nF. DC'de bu çift yine 120 Ω ölçülür; dolayısıyla yukarıdaki ohmmetre kuralları değişmez. Yüksek frekansta ise kondansatör ortak mod gürültüsüne şaseye giden düşük empedanslı bir yol açar ve yayınımı belirgin biçimde azaltır. Bazı transceiver'lar, resesif seviyeyi daha da kararlı tutmak için orta noktayı 2,5 V'ta sabitleyen ayrı bir split pini sunar.

Araçlarda sonlandırma dirençleri genellikle ayrı dirençler olarak değil, bir ağ segmentinin iki ucundaki ECU'ların içinde bulunur. Bu yüzden onarım sırasında bu ECU'lardan birini sökmek, bir sonlandırmayı da sökmek demektir.

04Kablo, büküm ve dal hatları

ISO 11898-2 ortamı bir kablo parça numarası dayatarak değil, elektriksel değerlerle tanımlar. Ağ tasarımcılarının esas aldığı referans değerler şunlardır:

Ekranlama isteğe bağlıdır. Binek araçlarda büyük çoğunlukla ekransız bükümlü çift kullanılır; ağır vasıtalarda ise iki seçenek de vardır: SAE J1939-11 ekranlı bükümlü çifti, SAE J1939-15 ise ekransız, sadeleştirilmiş bir fiziksel katmanı tanımlar. Sahada büküm kalitesi belirleyicidir. Sıkı ve düzenli bir büküm iki iletkeni girişime eşit ölçüde maruz bırakır; bir konnektörde veya ek yerinde çifti uzun bir mesafe boyunca açmak ise korumayı tam da gürültünün çoğunlukla en yoğun olduğu yerde ortadan kaldırır.

Dal hattı uzunlukları

Dal hattı (stub), omurga ile bir düğümün transceiver'ı arasındaki koldur. Sonlandırılmamış olduğu için enerjiyi omurgaya geri yansıtır; bu yansımalar ancak dal hattı kenar yükselme süresine göre kısa kaldığı sürece zararsızdır. Bitler hızlandıkça sınırlar daralır:

Bunun sahada iki sonucu vardır. Birincisi, 250 kbit/s'de sorunsuz çalışan bir kablo demeti, aynı topoloji 500 kbit/s'de ya da bir CAN FD veri fazıyla kullanıldığında arıza verebilir; çünkü kenarlar hızlandıkça kabul edilebilir dal hattı uzunluğu kısalır. İkincisi, mevcut bir hatta uzun bir sarkık kabloyla eklenen her cihaz yeni bir dal hattı yaratır. Eklenen dal hatlarını montajın izin verdiği kadar kısa tutun; omurgayı uzaktaki bir düğüme uzun bir kablo çekip geri getirerek asla uzatmayın.

Pasif yıldız topolojiler klasik CAN hızlarında özenli bir tasarımla çalışabilir, ancak her kenarda iletim hattı modeliyle çatışır. CAN FD veri hızlarında yıldız ya da uzun kollar gerektiren mimariler, Klasik CAN ve CAN FD yazısında anlatılan sinyal iyileştirmeli transceiver'lara dayanır.

05Transceiver'lar: analog ön uç

Bir ECU'nun CAN denetleyicisi, TXD ve RXD adlı iki pin üzerinden mantık seviyeleriyle konuşur. Transceiver bu pinlerle hat arasında çeviri yapar: dominant durumu sürer, resesif için hattı serbest bırakır ve diferansiyel gerilimi alım eşikleriyle karşılaştırır. Alıcı her an aktif olduğundan verici gönderdiği her biti geri okur; arbitrasyonu kaybettiğini ya da bir bitin yolda bozulduğunu bu sayede anlar.

Transceiver kuşakları ISO 11898-2'nin sürümlerini izler:

Otomotiv transceiver'ları sahada önem taşıyan özellikler de ekler: kilitlenen bir mikrodenetleyici TXD'yi düşük tuttuğunda hattı serbest bırakan ve böylece tek bir arızalı düğümün tüm ağı kilitlemesini önleyen TXD dominant zaman aşımı; yayınımı sınırlayan eğim ve simetri kontrolü; besleme aralık dışındayken çıkışı resesif tutan düşük gerilim koruması.

Düşük güç modları ve uyanma

Park halindeki bir aracın sükûnet akımı en düşük düzeyde tutulmalıdır; bu yüzden ECU'ların çoğu tamamen kapanır ve yalnızca transceiver dinlemede kalır. Düşük güç modundaki bir ISO 11898-2:2016 transceiver'ı 2,5 V öngerilimini bırakıp hatların yaklaşık 0 V'a inmesine izin verebilir ve bu sırada tanımlı bir dominant ve resesif faz dizisinden oluşan uyanma desenini bekler. Seçici uyanma özellikli transceiver'lar bir adım öteye geçip çerçeveleri çözer ve ECU'larını yalnızca belirli bir uyanma çerçevesiyle uyandırır. Bu kısmi ağ yönetimi, aracın bir bölümü çalışırken diğer bölümünün uykuda kalmasını sağlar; uyku akımı bütçeleri ve saatlerce şarj fonksiyonu yürüten elektrikli araçlar için kritik önemdedir.

Montajı yapan teknisyen için sonuç basittir: hatta kalıcı olarak bağlı her şey, araç uyurken hatta hiç dokunmamalıdır. Veri gönderen ya da hatları uyku seviyelerinden uzakta tutan bir cihaz tüm ağı uyanık tutabilir ve bir hafta sonunda aküyü bitirebilir. Bu konunun ayrıntıları ağ yönetimi ve Elektrikli ve hibrit araçlarda CAN yazısındaki güç durumlarında ele alınır.

06EMC: hattı sessiz ve dayanıklı tutmak

Elektromanyetik uyumluluk iki yönlüdür. Yayınım çoğunlukla asimetriden kaynaklanır: CAN-H ile CAN-L tam aynı anda ve birbirinin ayna görüntüsü eğimlerle anahtarlanmazsa, ortak mod gerilimi her kenarda sıçrar ve kablo demeti ışıma yapar. Bağışıklık da aynı simetriye dayanır; böylece dışarıdan binen gürültü ortak modda kalır ve alıcı onu bastırır. Tipik önlemler şunlardır:

• Hat iletkenlerinde ortak mod bobinleri: diferansiyel sinyali geçirirken ortak mod akımını bastırır. Bit hızına uygun seçilmelidir; uyumsuz bir bobin CAN FD kenarlarında salınım yapabilir.
• Orta nokta kondansatörlü bölünmüş sonlandırma: hattın uçlarında ortak mod gürültüsünü şaseye aktarır.
• Her iki hatta da düşük ve birbirine iyi eşlenmiş kapasitanslı ESD koruması: özellikle her pikofaradın kenarları yavaşlattığı CAN FD hatlarında.
• Simetrik yönlendirme: eşit uzunluklar, sıkı kuplaj ve konnektörlerde uzun bükümsüz bölümlerin olmaması çifti dengede tutar.

Bu önlemler köklü bir standart ailesine göre doğrulanır: yayınım için CISPR 25, ışınım ve akım enjeksiyonu (BCI) bağışıklığı için ISO 11452, besleme ve sinyal hatlarındaki geçici rejimler için ISO 7637-2 ve ISO 7637-3, CAN transceiver'larının kendisi için IEC 62228-3. Araç düzeyinde elektromanyetik uyumluluk, Avrupa'da ve pek çok başka pazarda BM Regülasyonu No. 10 ile düzenlenir.

07Arıza türleri ve elektriksel izleri

Yüksek hızlı CAN, Bit hızları ve hat türleri yazısında anlatılan düşük hızlı hat gibi arızaya dayanıklı değildir. Tek bir kablo arızası bütün bir ağı susturabilir; bazı arızalar ise ağı topallayarak çalıştırır ve sorunu gizler. Hat durumlarından yola çıkmak davranışı öngörülebilir kılar: CAN-H'nin CAN-L'nin 0,9 V üzerine çıkmasını engelleyen her arıza dominant biti imkânsız hâle getirir ve hat susar.

1. 01
   Ölçmeden önce bakın

   Segmentin iki ucundaki konnektörleri ve son eklenen cihazı inceleyin. Fiziksel katman arızalarının çoğu mekaniktir: geri kaçmış pinler, korozyon, sürtünmeden aşınmış yalıtım.

2. 02
   Direnç, enerjisiz

   Ağ uykudayken ya da akü ayrılmışken CAN-H ile CAN-L arasını ölçün (≈ 60 Ω beklenir), ardından her hattı şaseye ve akü artısına karşı ölçün (kiloohm mertebesinde veya daha yüksek bir direnç beklenir).

3. 03
   Gerilimler, hat uyanıkken

   Boştaki bir hatta her iki hat da şaseye göre 2,5 V'a yakın durmalıdır. Trafik varken multimetre bitlerin ortalamasını gösterir: CAN-H 2,5 V'un biraz üstünde, CAN-L biraz altında okunur ve ikisinin toplamı yaklaşık 5 V eder.

4. 04
   Osiloskop

   CAN-H ve CAN-L'yi iki kanalda şaseye karşı ölçün ya da bir diferansiyel prob kullanın. Temiz dikdörtgen bitler, yaklaşık 2 V'luk dominant fark, birbirinin ayna görüntüsü kenarlar ve örnekleme noktasından çok önce sönen salınımlar arayın.

5. 05
   Böl ve yönet

   Arıza varsa ECU'ları ayırın ya da omurgayı bir konnektörden bölün; arızanın yeri belirlenene kadar ölçümleri her iki yarıda tekrarlayın.

08Sık sorulan sorular