CAN Bus Fiziksel Katmanı

CAN (Controller Area Network) Bus CANH, CANL şeklinde isimlendirilen ikili hat üzerinden birden çok sistemin konuşabildiği, aynı anda tek bir sistemin konuştuğu (half-dublex), yüksek hızlı uygulamalara izin veren bir ağ yapısıdır.

Haberleşme yapılarında farklı seviye katmanlar ve uygulama tipleri vardır. Bu kapsamda CAN Bus'ın fiziksel katmanı üzerine detaylı bir inceleme gerçekleştirilmiştir.

Bu konuya giriş yaparken donanım seviyesinden işi ele alıp elektriksel seviyeye ilerlemek mantıklı olacaktır.

Öncelikle yazı  kapsamında kullanılacak tanımlardan bahsetmek gerekirse, sistem ifadesini CAN Bus hattına bağlanabilen ve haberleşebilen her şey olarak düşünebiliriz. Otomotiv üzerinden örnek verecek olursak VCU, BMS, Inverter gibi CAN Bus ile haberleşen yapılara sistem diyebiliriz.

Bir CAN Bus hattı CANH ve CANL hatlarının burulmuş çifti (twisted pair) ile birbirine bağlanır. Bu yapı ethernet kablolarında da benzer şekilde kullanılır. Bu bağlantı elektromanyetik yayılıma karşı hattın güçlü olmasını sağlar. Bu yapıda hat üzerinde indüklenen gürültü akımları her iki hatta neredeyse ortak seviyede etkileyeceği için CANH, CANL arasındaki fark neredeyse sabit kalır. 

Örnek bir burulmuş çift (twisted pair) görseli aşağıda görebilirsiniz.

CANH, CANL twisted pair kablo üzerinden iletildikten sonra elektronik devre üzerindeki yapılar ile karşılaşıyoruz. Burada temel yapıyı anlamak için CAN Bus dönüştürücüler ile anlatıma devam etmek faydalı olacaktır. Sektörde de sıklıkla kullanılan SN65HVD1050 entegresini örnek olarak ele alabiliriz. Bu yapılar mikrodenetleyicilerden çıkan CANTX, CANRX pinlerini CANH, CANL seviyesine dönüştürür. CAN Bus dönüştürücü entegrelerinin ana görevi budur. Tamamen analog yapılar bu dönüşüm için yeterlidir. Bununla birlikte hat ile ilgili temel elektriksel kontrolleri yapabilir. Entegre özelinde sıcaklık kontrolü ve koruması yapabilir. ESD korumaları sağlayabilir. Bublar zorunlu fonksiyonlar değildir.

SN65HVD1050'nin iç yapısı aşağıdaki gibidir.

CAN Bus dönüştürücüleri giriş tarafında CANH, CANL değerlerinin elektriksel farkına göre RXD ucuna 1/0 bilgisi gönderir. CANH, CANL aynı değerlerde ise lojik 1, aradaki fark 2.5 V ise lojik değer 0'dır.

Gönderici taraftan bakacak olursak TXD pini üzerinden bir sürücü kısım aktifleşir ve çıkış anahtarlarını sürer. Bu anahtarlar TXD lojik 0 iken aktif çalışır ve CANH, CANL hattını 2.5 V farka çeker. Aksi durumda aynı değerde tutar.

CAN Bus'ın özelliklerinden biri hattı sürerken aynı zamanda aktif olarak okumaya devam etmesi ve CAN mesaj paketi içerisinde belli bitleri takip ederek karşı alıcının mesajı sağlıklı bir şekilde alıp almadığını doğrulamasıdır. Bu sayede gönderilen mesajların en az bir alıcıya ulaşıp ulaşmadığından gönderici taraf emin olur.

Ek ve büyük bir katkısı da veri gönderirken okumaya devam etmesi sayesidne herhangi bir durumda önceliği yüksek bir mesaj paketi başka bir sistem üzerinden gönderilirse, hattı her sistem sürekli okuyarak çalışmaya devam ettiği için ilgili yüksek öncelikli mesaja diğer tüm sistemler izin/öncelik verir.

Kaynaklar:

1. https://www.ti.com/lit/an/sloa101b/sloa101b.pdf

CAN Bus Temel Özellikler, Avantajları ve Dezavantajları

Temel Özellikler

• Bükümlü çift yapısında iki kablo
• Hat baş ve sonra 2 direnç ile sonlandırılır
• ~40 metre kablo için 1 Mbps veri iletim hızı vardır
• Bir mesaj paketinde azami 8 byte veri gönderilir
• Mesaj gönderme alma prosedürü hatalara dirençli (robust) bir şekilde çalışır
• Mesaj ID'sine göre önceliklendirme yapısı vardır
• İki sistem aynı anda mesaj paketi iletmek istese bile ID önceliklendirme yapısı hatayı engeller
• Mesajlar hat üzerindeki tüm sistemlere iletilir
• Mesaj iletilmeme durumunda yeniden gönderme yapısı CAN kontrolcüsü üzerinde gerçekleştirilir
• Sabit/Sürekli bir hata durumunda CAN kontrolcüsü kendini belli durumlarda durdurur

Avantajlar

• Düşük kablolama karmaşıklığı
• Araç kablolama işlemlerinde kolaylık
• Hatta yeni bir sistem eklemek veya hattan bir sistemi kaldırmakta kolaylık
• Kapalı bir sistem hattı etkilemez
• Çoklu yönetici, her bir sistem hatta veri basabilir ve hat üzerinde bulunan veriyi okuyabilir
• Elektromanyetik yayılımdan etkilenmesi halinde emniyetlidir
• Hata tespit yapıları vardır
• Arıza durumunda teşhis ve bakım kolaylıkla yapılır

Dezavantajlar

• Veri iletişim hızı ~1Mbps hızında sınırlıdır
• Basit protokollere göre uygulaması daha maliyetlidir
• Siber ataklara karşı açıktır. Kolaylıkla hatta erişilip veriler manipüle edilebilir

CAN Bus Temelleri ve Bir Mesajının Yapısı

CAN (Controller Area Network) Bus Robert Bosch GmbH tarafından oluşturulmuştur. 1986'da RB GmbH tarafından SAE'de yayınlanmıştır. Takip eden yıllarda CAN Bus'ın farklı versiyonları yayınlanmıştır ve ISO tarafından standardize edilmiştir. CAN Bus günümüzde içten yanmalı ve elektrikli bir çok araç tipinde aktif olarak kullanılan ve temel kontrol yetenekleri dolayısı ile sıklıkla tercih edilen bir haberleşme protokolüdür.

CAN Bus, mesaj tabanlı bir haberleşme protokolüdür. Hat üzerinde bulunan bütün noktalar hatta veri basabilir ve veriyi okuyabilir. Fiziksel olarak CANH, CANL şeklinde isimlendirilen iki fiziksel hat üzerinden iletilir. Fiziksel hat üzerinde bulunan voltaj farkı üzerinden çalışır.

CAN Bus ile haberleşen bir ağın fiziksel bağlantısı aşağıdaki gibidir. Bir hat boyunca bir çok sistem bağlanabilir. Her bir sistem ağa mesaj gönderebilir ve okuyabilir.

CAN Bus'a bağlantı için transreceiver yapılarına ihtiyaç duyulur. Mikrodenetleyiciler ile CANH, CANL hatları arasında aşağıdaki gibi transreceiver yapıları kullanılır. Mikrodenetleyiciler tarafında Rx, Tx hatları ile iletişim kurulur.

Aşağıda verilen görselde CANH, CANL hatlarındaki değişim ve bu değişimin CAN Rx ucundaki karşılığını gözlemleyebilirsiniz. CANH, CANL aynı seviyede iken CAN Rx 1'dir. Aksi durumda CAN Rx 0 olur. 0 değeri CAN Bus için baskın bit olarak ifade edilir.

Bir önceki görsel üzerinden CAN Bus mesajını inceleyecek olursak;

• Start of frame: Bir CAN Bus mesajı 0 biti ile başlar.
• ID-Arbitration: Takip eden bitler mesaj ID sini ifade eder. Mesaj ID'si aynı zamanda paketin önceliğini de ifade eder. Örneğin aynı anda iki sistem hatta veri basmak isterse CAN Bus'ın önceliklendirme yapısına göre değerlendirilir. Çok basitçe ifade etmek gerekirse Veri gönderimi başladığı anda bir mesajın ID'si ne kadar 0 ile başlarsa o kadar baskındır. Görseldeki sıraya göre "00001xx" ve "00100xx" başlayan iki mesaj paketi gelirken birinci paket önceliklendirilir ve ikinci paketi gönderen sistem gönderimi durdurur.
• RTR: Remote transmission request olarak geçer. Bir mesaj paketini başka bir sistemden talep etmek için kullanılır.
• Control: Bu kısımda mesaj ile ilgili ek bilgiler yer alır.
• IDE: ID Extend olarak geçer. 1 olması durumunda 18 bitlik daha ID kısmı aktif olur. Mesaj paketi toplamda 29 bitle ifade edilir.
• DLC: Data length code olarak geçer. Mesaj paketinin kaç byte olduğunu ifade eder.
• Data: Veri aktarma kısmıdır. Kullanıcının iletmek istediği veri tam olarak buradadır.
• CRC: Veri paketinin doğruluğunu teyit etmek için kullanılır.
• ACK: Gönderilen paketin en azından bir sistem tarafından alındığını ifade eder. Bu kısım Herhangi bir alıcı sistem üzerinden sürülür. Eğer CAN Bus üzerinde başka bir sistem yoksa bu bit 0 olmaz ve gönderici mesajın iletilemediğini anlar.
• End of frame: Mesaj paketi sonunda 7 bit 1 gönderilir.

Otomotivde Pasif ve Aktif Emniyet Kavramları (Active Safety/Passive Safety)

Otomotiv sektörü, araçların güvenliği ve emniyeti için sürekli olarak çalışmaktadır. Bu çalışmalar sonucunda otomotiv sektöründe Pasif ve Aktif Emniyet kavramları ortaya çıkmıştır.

Pasif Emniyet, araç kazası durumunda oluşabilecek zararları en aza indirmeyi amaçlayan bir sistemdir. Aktif Emniyet ise, araç kazasını önlemeyi amaçlayan bir sistemdir.

Pasif Emniyet Sistemleri, araç kazası durumunda yolcuların zarar görme riskini en aza indirmek için tasarlanmıştır. Bu sistemler, araç içi ve dışı güvenlik sistemlerini içerir. Örneğin, araç içi emniyet sistemleri arasında; kemerler, hava yastıkları, koltuk başlıkları, koltuk kemeri hatırlatıcıları, çocuk koltukları ve emniyet kafesleri gibi sistemler bulunur. Araç dışı emniyet sistemleri arasında ise; çarpışma anında aracın enerjisini emen ve yavaşlatan kasa yapısı, kaporta ve önemli parçaların çarpışma sonrası deformasyonu sonucunda yolcuların zarar görmesini önleyen sistemler yer alır.

Aktif Emniyet Sistemleri, araç sürüşü esnasında kazaları önlemek için tasarlanmıştır. Bu sistemler arasında, ABS (Anti-Blokaj Fren Sistemi), ESP (Elektronik Stabilite Programı), akıllı hız kontrolü, şerit takip sistemi, park asistanı ve uzaktan kumandalı acil durum freni gibi sistemler bulunur.

Günümüzde, otomotiv sektörü sürekli olarak Pasif ve Aktif Emniyet sistemlerini geliştirmektedir. Bu sistemler, araçların güvenliği ve emniyeti için çok önemlidir.

Otomotivde ECU Nedir?

Electronic Control Unit/Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) araçlar üzerindeki çeşitli görevleri/fonksiyonları gerçekleştirmek üzere geliştirilmiş sistemlerdir. ECU genel bir isimlendirmedir. VCU, BMS, BCM gibi ünitelerin elektronik kontrol birimleri de ECU olarak anılır.

Araç üzerindeki ECU'lar görevlerine göre farklı tip, özellik ve boyutlarda olabilir. Örneğin bir VCU genel olarak yatay ve ince bir metal yuvaya sığarken, EDS/MCU/Inverter gibi güç süren sistemler daha hacimli ve geniş soğutucu bloklu yuvalara ihtiyaç duyar.

Örnek Bir VCU Görseli

Örnek Bir EDS/MCU/Inverter Görseli

Günümüzde araçlar 100 civarında farklı ECU içerebilir. Örneğin 4 kapı camı elektrikli bir araçta sadece bu camların aç/kapa fonksiyonundan sorumlu 4 farklı motor ve bu motorları süren ECU'lar vardır. Bu ECU'lar tek bir ana fonksiyonu (cam aç/kapat) gerçekleştirse bile araç networkü ile haberleşen akıllı sistemlerdir. Araç networkü üzerinde bir fonksiyon bir veya birden fazla elemanın entegrasyonu ile gerçekleşebilir. İlgili sistemler her zaman birbiri ile konuşarak senkron bir şekilde çalışacak topolojide tasarlanır.

Her ECU genel olarak kendisinden sorumlu bir işlemci barındırır. Bu işlemciler çoğunlukla otomotiv sektörü için özelleşmiş, kendi üzerinde 12 V regülatörü, haberleşme alıcı/vericileri gibi önemli yapıları entegre edilmiş bir şekilde barındırırlar. Böylece birim maliyet, yer kaplama, hata yapma gibi konularda avantaj sağlanır.

Referanslar:

1.  https://www.aptiv.com/en/insights/article/what-is-an-electronic-control-unit
2. https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/vehicle-computer/vehicle-control-unit/
3. https://automotivepowertraintechnologyinternational.com/news/electric-powertrain-technologies/mclaren-applied-targets-automotive-with-800v-sic-inverter.html