Il protocollo CAN bus (Controller Area Network) sta diventando sempre più popolare tra gli ingegneri che lavorano con sistemi embedded industriali di alto livello. Il protocollo è stato sviluppato nel 1986 da Robert Bosch GmbH per favorire lo sviluppo della comunicazione elettronica nell'industria automobilistica.
All'inizio degli anni '80, i produttori di veicoli cominciarono a incorporare nelle auto e nei camion un numero crescente di dispositivi elettronici come le sospensioni attive, il controllo della trasmissione e delle luci, la chiusura centralizzata e l'ABS. Affinché questi dispositivi elettronici funzionino insieme, cronometrino correttamente le attività e condividano i dati, devono essere interconnessi.
Secondo gli standard di cablaggio esistenti, i moduli elettronici comunicavano tra loro tramite linee di segnale analogiche dirette punto-punto. Ogni modulo aveva una linea diretta che lo collegava all'altro modulo con cui doveva comunicare. Questa architettura richiedeva molto tempo e utilizzava troppi cavi.
Il protocollo CAN elimina la necessità di un cablaggio eccessivo consentendo ai dispositivi elettronici di comunicare tra loro attraverso un'unica linea multiplexata che collega ogni nodo della rete al cruscotto principale. L'architettura multiplex consente di combinare e trasmettere i segnali sull'intera rete attraverso un'unica linea, in modo che ogni modulo elettronico del veicolo riceva tempestivamente i dati da sensori e attuatori.
Il protocollo CAN è stato standardizzato dall'International Standards Organization (ISO) nel 1993 e da allora è stato suddiviso in due standard: ISO 11898-1, che descrive il livello di collegamento dati del protocollo, e ISO 11898-2, che descrive il livello fisico. Le proprietà uniche del protocollo CAN bus hanno portato alla sua crescente popolarità e accettazione in settori che utilizzano reti integrate come quello sanitario, manifatturiero e dell'intrattenimento.
1.Basso costo
Quando è stato creato il protocollo CAN, l'obiettivo principale era quello di consentire una comunicazione più veloce tra i dispositivi e i moduli elettronici dei veicoli, riducendo al contempo la quantità di cavi (e di rame) necessari. Questo obiettivo è stato raggiunto utilizzando il cablaggio multiplexato, che consente di combinare e trasmettere segnali analogici e digitali su un mezzo condiviso.
Per capire come il multiplexing riduca i costi di cablaggio dei veicoli, dobbiamo sapere qualcosa di più su come funzionava l'architettura del cablaggio prima della creazione del protocollo CAN bus. Oltre ai dispositivi o moduli elettronici che controllano i sottosistemi del veicolo, le auto e i camion hanno anche sensori e attuatori che raccolgono dati dal funzionamento del veicolo e li trasmettono ai moduli dove sono necessari.
Un veicolo potrebbe avere dei sensori che raccolgono dati sulla velocità e sull'accelerazione, ma la trasmissione di questi dati richiederebbe cavi dedicati per ogni singolo ricevitore di dati: un cavo per comunicare con il sistema airbag, un cavo per comunicare con il sistema frenante ABS, un altro cavo per comunicare con il sistema di controllo del motore e così via. Con il protocollo CAN, un unico cavo collega tutti i sistemi elettronici, gli attuatori e i sensori del veicolo in un circuito che consente il trasferimento di dati ad alta velocità tra tutti i componenti.
Il primo veicolo a utilizzare il cablaggio CAN bus è stata la BMW 850 Coupé, uscita nel 1986. Grazie all'implementazione dell'architettura CAN bus, la lunghezza del cablaggio della BMW 850 è stata ridotta di 1,25 miglia, con una conseguente riduzione del peso di oltre 100 libbre. In base al costo attuale del cablaggio in rame, il risparmio totale sui materiali risparmiati sarebbe di quasi 600 dollari. Inoltre, la velocità di comunicazione è stata incrementata con velocità di segnale comprese tra 125 kbit/s e 1 Mbit/s.
I bassi costi di implementazione sono una delle ragioni principali dell'adozione diffusa del protocollo CAN bus. Meno cablaggi significa meno lavoro e meno costi di materiale per gli ingegneri embedded.
2.Rilevamento dei guasti incorporato
Una delle caratteristiche principali del protocollo CAN bus è che supporta il controllo centralizzato dei dispositivi elettronici collegati alla rete. Nel livello fisico del bus CAN, ogni dispositivo elettronico è chiamato nodo. I nodi possono comunicare con altri nodi della rete e ogni nodo richiede un microcontrollore, un controller CAN e un trasmettitore CAN.
Sebbene ogni nodo possa inviare e ricevere messaggi, non tutti i nodi possono comunicare contemporaneamente. Il protocollo del bus CAN utilizza una tecnica chiamata "arbitraggio senza perdita di bit" per risolvere queste situazioni e determinare a quale nodo deve essere assegnata la "priorità" di comunicare per primo il suo messaggio.
La gestione degli errori è integrata nel protocollo CAN: ogni nodo controlla gli errori di trasmissione e gestisce il proprio contatore di errori. I nodi inviano uno speciale messaggio di segnalazione di errore quando vengono rilevati degli errori e distruggono il traffico del bus difettoso per evitare che si propaghi nel sistema. Anche il nodo che genera l'errore rileva il proprio errore di trasmissione, incrementa il proprio contatore di errori e alla fine fa sì che il dispositivo spenga il bus e non partecipi più al traffico di rete. In questo modo, i nodi CAN possono sia rilevare gli errori sia evitare che i dispositivi difettosi generino traffico inutilizzabile sul bus.
3.Robustezza
La durata e l'affidabilità sono aree importanti da considerare quando si sceglie un protocollo di comunicazione da implementare nei propri progetti di ingegneria embedded. Se devi implementare i tuoi prodotti nell'ambiente reale, devi scegliere un protocollo di comunicazione che sia autosufficiente e che possa continuare a funzionare per un lungo periodo di tempo senza manutenzione o interventi esterni.
Questa esigenza rende particolarmente vantaggiose le capacità di rilevamento degli errori del protocollo, che permettono ai sistemi di identificare e correggere gli errori stessi senza la necessità di un intervento esterno. Esistono cinque meccanismi per rilevare gli errori nel protocollo CAN:
I cavi bus CAN ad alta velocità sono altamente resistenti ai disturbi elettrici e i controllori e i ricetrasmettitori CAN che comunicano con le apparecchiature elettroniche sono disponibili in intervalli di temperatura industriali o estesi.
Un cavo bus CAN è normalmente soggetto alle modalità di guasto elencate nello standard ISO 11898, ad es.
Mentre la maggior parte dei ricetrasmettitori CAN non sopravvive a questi tipi di guasti, alcuni produttori di elettronica hanno progettato ricetrasmettitori CAN resistenti ai guasti che possono gestirli tutti, anche se possono avere una velocità massima limitata come compromesso. L'insieme di queste caratteristiche estende l'idoneità delle reti bus CAN per le applicazioni nel settore automobilistico.
La tecnologia CAN bus è ampiamente utilizzata in tutti i settori industriali. Grazie alla sua robustezza, flessibilità e al risparmio economico che ne deriva, le reti CAN bus sono state implementate in:
Il protocollo CAN bus rimarrà la tecnologia di rete preferita per collegare i dispositivi elettronici che richiedono una comunicazione frequente e semplice. Ethernet TCP/IP, una delle principali alternative al CAN bus, non è ancora in grado di fornire gli stessi requisiti di risorse ridotte, implementazioni a basso costo, affidabilità e capacità di risoluzione dei problemi delle reti CAN bus. Continueremo a vedere le reti CAN utilizzate nei dispositivi IoT, nelle applicazioni di automazione industriale, nei dispositivi medici connessi e in applicazioni ancora più sofisticate e high-tech come i satelliti e i veicoli spaziali.
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