Kilka artykułów na tym blogu już napisałem, będę robił to dalej, jednak w każdym poprzednim wpisie wspominam o tajemniczo brzmiącej magistrali CAN, która w kontekście ochrony współczesnego samochodu przed kradzieżą, odgrywa specjalną rolę. Powodem opracowania takiego systemu przesyłu sygnałów między podzespołami samochodu był dynamiczny rozwój motoryzacji w latach 70. i 80. XX wieku – dotychczasowe rozwiązania okazywały się być po prostu nieprzygotowane na „nowe czasy”. Jak doszło do opracowania technologii? Jak działa magistrala CAN i do czego jest używana? Szczegóły poniżej.
Potrzeba matką wynalazku
Starsi fani motoryzacji na pewno pamiętają lata 70. i 80. – w naszym kraju, za żelazną kurtyną, tylko nieliczni mogli sobie pozwolić na samochody, które zjeżdżały z taśm produkcyjnych na Zachodzie. U nas królowały, niezbyt wyrafinowane technicznie, modele Ład, Wartburgów lub Fiatów, jednak w krajach za zachodnią granicą motoryzacja przeżywała swoje złote lata .
Producenci samochodów opracowywali najnowsze technologie i wprowadzali je „pod strzechy” – coraz powszechniej zaczęto wykorzystywać komponenty elektroniczne oparte na układach scalonych, których zadaniem była przede wszystkim „kontrola” nowych podzespołów mechanicznych, które dopiero co wprowadzono lub były one montowane jako zaawansowane prototypy. Dobrym przykładem takich systemów jest np., ABS, elektryczny wtrysk, zapłon, sterowanie elektrycznymi szybami czy wspomaganie kierownicy.
Kolejnym, naturalnym krokiem w rozwoju każdej gałęzi przemysłu jest sprawienie, aby te wszystkie nowoczesne systemy zaczęły ze sobą wzajemnie współpracować tak, aby obsługa pojazdu była jeszcze bardziej przyjazna dla użytkownika. No ale.
Żeby ludzie mogli się ze sobą zdalnie komunikować bez przeszkód i na wysokim poziomie, potrzeba nie tylko wspólnego języka ale też odpowiedniej platformy komunikacji cyfrowej. To samo dotyczy maszyn – motoryzacja stanęła przed trudnym zadaniem opracowania technologii, która będzie umożliwiać dziesiątkom urządzeń, z których składa się samochód, bezproblemową komunikację.
Tu pojawił się pierwszy problem
Okazało się, że odpowiedni standard przesyłu informacji w tamtych czasach po prostu nie istniał. Takowe, w sensie ogólnym oczywiście były, jednak żaden z nich nie spełniał postawionych kryteriów. A było tego całkiem dużo – poza typowo technologicznymi aspektami, dla producentów aut w tamtych czasach liczyła się również niezawodność, niskie koszta produkcji i wysoka prędkość transmisji danych – bez tego dalszy, szybki rozwój motoryzacji stanąłby pod dużym znakiem zapytania.
Pomocną dłoń do koncernów motoryzacyjnych wyciągnęła firma Bosch. Nowo opracowana w 1981 roku technologia, dedykowana właśnie do wymagań branży automotive, nosiła nazwę CAN (Controller Area Network). I tu mała ciekawostka – mało kto wie, że tak dobrego standardu przesyłu informacji nie udałoby się dobrze opracować i wdrożyć na szeroką skalę, gdyby nie również firma Intel, która zajęła się dostarczaniem głównych elementów elektronicznych.
Dlaczego CAN był nam wszystkim bardzo potrzebny?
W dzisiejszych czasach, magistrala CAN jest absolutnym standardem wymiany danych, nie tylko w motoryzacji. To również wszelkiej maści zakłady przemysłowe, automatyzacja budynków, produkcji, drukarki, piece, klimatyzacja i wiele, wiele innych.
To dzisiaj po prostu konieczność. W tamtych czasach, gdy standard pojawił się „na salonach”, producenci samochodów nie mieli jeszcze pojęcia, jakie oszczędności przyniesie jego zastosowanie. W systemach mikroprocesorowych, używanych w modelach z tamtych lat, głównym problemem była zawrotna ilość kabli i ich waga, co znacznie komplikowało ogólną konstrukcję pojazdu.
W przeciętnym modelu z lat 80., łączna długość przewodów w jednym, średnim samochodzie, oscylowała wokół 3.2 km (tak, kilometrów), a waga takiej wiązki to około 56kg. Prawda, że sporo? W samochodzie to jeszcze nie był aż taki wielki problem, bo silniki z tamtych lat i tak były dość paliwożerne, więc w sumie co za różnica, czy kilo w tę czy wewtę.
No ale już w przypadku produkowanych wówczas śmigłowców bojowych, gdzie liczy się każdy kilogram zabrany w powietrze i niskie spalanie, waga wiązki liczona była w setkach kilogramów. A wprowadzenie magistrali CAN pozwoliło zaoszczędzić nieco ponad kilometr na długości kabli oraz około 17 kilogramów w autach osobowych.
Przejdźmy do meritum
Tło historyczne i okoliczności powstania magistrali CAN już znamy, mniej więcej wiemy, co to jest, zatem teraz należy dokładnie przyjrzeć się aspektom technicznym.
Uwaga, więc magistrala CAN to nic innego, jak banalna dwuprzewodnikowa, pół-dupleksowa sieć komunikacji z prędkością transmisji do 1Mb/s, działająca w czasie rzeczywistym. CAN to sieć multi-master, umożliwia komunikację pomiędzy dwoma podzespołami elektronicznymi. Jest szybka, bezpieczna, prosta, odporna na błędy i zakłócenia, a to wszystko dzięki sprzętowej obsłudze protokołu i kontroli błędów. Proste?
Ni hu-hu.
Dwuprzewodowa – wiadomo. Magistrala CAN to skrętka, czyli w wiązce znajduje się kilka przewodów połączonych w pary i skręconych ze sobą, w celu uniknięcia zakłóceń elektromagnetycznych i wzajemnych.
Pół-dupleksowa, to znaczy: komunikaty można wysyłać w obie strony, jednak naprzemiennie. Tak działa np. walkie-talkie.
Prędkość transmisji do 1Mb/s – natężenie strumienia danych w magistrali CAN. 1Mb/s to 1 000 000 b/s. Czyli jeden milion operacji na sekundę.
Sieć multi-master: to taka, w której inicjację transmisji może wywołać każdy system podłączony do magistrali. Nie ma tu „równych i równiejszych”.
Sprzętowa obsługa protokołów i kontrola błędów: specjalizowane kontrolery formują komunikaty, sterują bezkolizyjnym dostępem do magistrali, filtrują komunikaty.
Podstawowe właściwości magistrali CAN
Opracowanie takiego sposobu transmisji danych w tamtych latach, z pewnością wymagało kilku tęgich umysłów. A wnioskować można po kluczowych właściwościach CAN, czyli de facto problemów, które musiały zostać rozwiązane przy jej konstrukcji. Podstawowe cechy magistrali to:
- Niezawodność, i to duża. Magistrala CAN jest odporna na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne dzięki wykorzystaniu różnicowej transmisji bitów. Obliczenia mające na celu oszacowanie niezawodności magistrali CAN jasno pokazały, że jeden „przekłamany” bit zdarza się średnio raz na 1000 lat! Biorąc pod uwagę średni czas eksploatacji magistrali, który wynosi mniej więcej 4000 godzin, okazuje się, że podczas cyklu życia pojawia się tylko około 0,00395 niewykrytych błędów. Całkiem nieźle.
- Transmisja danych w magistrali CAN odbywa się bez udziału jednostki nadrzędnej. Zapobiega to utracie informacji w przypadku kolizji na szynie.
- Maksymalna prędkość przesyłu danych to 1Mb/s, jednak tylko na dystansie do 40 metrów. Wraz ze wzrostem odległości spada również prędkość. Wszystko zgodnie z poniższą tabelką:
Główne typy magistrali CAN
W praktyce stosuje się dwie główne wersje protokołów wykorzystywanych w CAN: 2.0A (11-bitowy identyfikator) i 2.0B (29-bitowy identyfikator), gdzie oczywiście wersja 2.0B jest rozszerzeniem tej pierwszej.
Komunikaty nadawane poprzez magistralę CAN formuje się w specjalne „paczki”, zwane ramkami. Jedna ramka składa się z siedmiu pól: początku, arbitracji, sterującego, danych, sumy kontrolnej, potwierdzenia i końca.
Najciekawiej brzmi oczywiście pole arbitracji – znajdują się tam komunikaty, które określają priorytet dostępu do magistrali – im mniejsza liczba się tam znajduje, tym priorytet będzie większy. Dostęp do magistrali jest przyznawany metodą dominacji bitowej (bit dominance). Polega ona na tym, że wszystkie stacje badają stan magistrali czekając na możliwość wysłania własnego komunikatu. Konflikty wynikające z ewentualnego podjęcia równoczesnego nadawania przez kilka stacji są rozwiązywane w początkowej fazie transmisji w trakcie wysyłania pola arbitracji zawierającego identyfikator komunikatu.
Ramki komunikatów poszczególnych protokołów prezentują się następująco:
Kiedy magistrala CAN w samochodzie ulegnie awarii…
Technologia CAN jest dość skomplikowana. Na pewno, żeby ją zrozumieć, przyda się wiedza z przynajmniej kilku dziedzin nauk ścisłych. Poziom skomplikowania elektroniki montowanej w nowoczesnych samochodach, nie tylko klasy Premium sprawia, że istnieje ograniczona liczba warsztatów samochodowych, które potrafią poradzić sobie z usterkami magistrali.
Czasami dzieje się po prostu tak, że mechanik nie bardzo wie, co robi. Działa na oślep i w przypadku konkretnej usterki, najpierw zdąży wymienić on w samochodzie kilka zupełnie zdrowych komponentów. Rachunek za naprawę rośnie, a problem jak istniał, tak istnieje nadal.
Laik może pomyśleć: ot, zwykły przesył danych, coś takiego, jak po prostu prąd w gniazdku. „Skoro nie działa klimatyzacja to może być coś z zasilaniem”.
No właśnie, nie do końca
Jedziemy autem w upalny dzień, jest naprawdę gorąco, więc włączamy przycisk od „klimy” i czekamy na odpowiednią reakcję. Kilka sekund, nic się nie dzieje, wzruszamy ramionami i otwieramy szybę. Też nie działa?! Do diaska! Minęło tak mało czasu, a po wciśnięciu guzika wewnątrz auta zdążyło wydarzyć się już bardzo wiele.
Przycisk przesłał błyskawiczną informację do sterownika elektronicznego, który na prędce zaangażował różne czujniki i sprawdził warunki, czy taki „rozkaz” kierowcy jest w ogóle wykonalny tu i teraz. Okazało się, że tak: zatem sterownik wysłał polecenie do elementu wykonawczego klimatyzacji (sprężarki), aby się włączyła. No ale nic się nie zadziało i bądź tu teraz mądry, w czym tkwi problem. Czy jest nieszczelność? Czy to może uszkodzenie sprężarki, przerwy w obwodach? Może jakiś czujnik nawalił?
Taka sytuacja ma miejsce za każdym razem, gdy wydajemy samochodowi jakieś polecenie. W przypadku braku reakcji można oczywiście wymienić wszystkie elementy danego systemu z osobna, jednak może okazać się, że to winna jest magistrala CAN.
Poziom skomplikowania konstrukcji rośnie, gdy uświadomimy sobie, że w nowoczesnych samochodach coraz częściej stosuje się dwie główne sieci CAN, dzielące się zadaniami. Pierwsza odpowiada za takie elementy, jak zamki w drzwiach, alarmy, sterowanie fotelami, czy systemy audio lub elektryczne szyby. Druga natomiast zajmuje się takimi systemami jak: ABS, ASR, ESP, czy skrzynia biegów.
Ale to jeszcze nie koniec. W najbardziej „wypasionych” samochodach, naszpikowanych elektroniką, spotyka się jeszcze dodatkową magistralę CAN, która służy tylko i wyłącznie do celów diagnostycznych. Ale to i tak niedużo, jeśli mielibyśmy zastąpić sygnał cyfrowy analogowym, jak w tradycyjnych kablach.
Pal licho już ich niedoskonałości, ale prosta rzecz – gdybyśmy chcieli zachować wszystkie funkcjonalności nowoczesnych samochodów, to grubość wiązki elektrycznej w takich sięgałaby dosłownie absurdalnych rozmiarów. Czyli w praktyce po prostu rozwój motoryzacji byłby niemożliwy w takim kształcie, jaki znamy dzisiaj. No i pamiętajmy o tym, że delikatnie ponad połowa wszystkich usterek w danym samochodzie, to awarie wiązek elektrycznych. Ergo: im mniej kabli, tym lepiej i taniej.
Elementy magistrali CAN
Im mniej kabli, tym lepiej, ale dla zachowania funkcjonalności, trzeba je czymś zastąpić. Otóż w skład magistrali CAN wchodzą: urządzenie kontrolne (controller), nadajnik-odbiornik (transceiver), dwie końcówki magistrali danych i dwa przewody magistrali danych.
No i jak to działa?
Wszystkie te elementy działają na prostej zasadzie. Wyobraźmy sobie odprawę przed typowym dniem pracy. Zbierają się pracownicy (podzespoły), przychodzi szef (sterownik) i coś tam mówi przez mikrofon (przewody) – co mówi, słyszą wszyscy, jednak nie wszystkich interesuje to jednakowo. Okazało się bowiem, że całość przemówienia była adresowana tylko i wyłącznie do naszego kolegi, siedzącego po prawej – reszta ludzi uznała te informacje za nieprzydatne i zignorowała je.
Rolę przewodów w magistrali jeszcze póki co pełnią klasyczne, metalowe wiązki (skrętki). Jednak nietrudno wyobrazić sobie, że już niedługo w każdym samochodzie będziemy mieli dużo bardziej nowoczesne światłowody albo po prostu fale elektromagnetyczne. Skrętka jest obecnie najtańsza i najbardziej popularna, ale wraz z adaptacją nowej technologii, spadnie również jej cena. Poczekajmy.
Jakie parametry możemy odczytać z magistrali CAN?
Wykorzystując odpowiednie transpondery, możemy niejako „wpiąć się” w magistralę CAN i odczytać sygnały tam płynące. Są to kompletne informacje o obecnym stanie auta, bieżące parametry silnika, skrzyni biegów i tak dalej, i tak dalej. Niestety, nie wszyscy producenci współczesnych samochodów ujawniają dane, do których należą, m.in.:
Magistrala CAN w kontekście skutecznej ochrony auta przed kradzieżą
Wspominałem już, że w momencie używania każdego systemu elektronicznego w samochodzie, używana jest magistrala CAN. Czy to otwarcie drzwi, czy wrzucenie biegu, odpalenie silnika – w przypadku takich poleceń niezbędna jest komunikacja między wieloma elementami i żeby całość operacji powiodła się, należy wszystkim tym elementom zagwarantować niezakłócony ruch na magistrali CAN.
No właśnie, otwarcie drzwi, uruchomienie silnika, bieg.. A co, jeśli chciałby to zrobić nie właściciel samochodu, a złodziej?
Omówiona wcześniej specyfikacja magistrali CAN każdemu praktycznie musi przywodzić na myśl, że przecież ruch na takiej „autostradzie” można zablokować. Żeby mieć nad tym kontrolę, trzeba to robić wybiórczo.
Okazuje się, że istnieją systemy, zwane immobilizerami CAN. To małe urządzenia elektroniczne, najczęściej sprzężone dodatkowymi breloczkami Bluetooth czy kodem PIN w celu autoryzacji, które potrafią całkowicie uniemożliwić używanie pojazdu wówczas, gdy właściciel nie chce, by ktoś to robił za niego. Chodzi tu oczywiście o ochronę przed złodziejami.
Jednym z ciekawszych urządzeń na rynku jest immobilizer CAN oferowany przez Zabezpiecz-Auto.pl. Firma ta może pochwalić się krajową produkcją i gęstą mapą punktów serwisowych wysokiej jakości – montaż immobilizera CAN przeprowadzają fachowcy, a urządzenie nie narusza fabrycznej gwarancji samochodu. A to często zdarza się, gdy instalacją tego typu zabezpieczeń zajmują się niewykwalifikowani mechanicy – dochodzi do zniszczenia wiązki elektrycznej i po gwarancji.
A nie oszukujmy się, w aucie, które warte jest kilkadziesiąt lub kilkaset tysięcy złotych, to szczególnie bolesne…
CanLock, bo tak nazywa się to zabezpieczenie antykradzieżowe, występuje w czterej wersjach, w zależności od potrzeb i wymagań klienta. Warto zaznaczyć tutaj, że ten system jest w pełni odporny a nowoczesne metody kradzieży: „na walizkę”, na „gameboya” czy „na lawetę” (można o nich poczytać w poprzednich moich wpisach).
