Ouvrir le menu principal

Bus de données CAN

(Redirigé depuis Controller area network)
Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir CAN.

Le bus de données CAN (Controller Area Network) est un bus système série très répandu dans beaucoup d'industries, notamment l'automobile[1],[2],[3],[4],[5],[6].

Il a été normalisé avec la norme ISO 11898[7].

Il met en application une approche connue sous le nom de multiplexage, et qui consiste à raccorder à un même câble (un bus) un grand nombre de calculateurs qui communiqueront donc à tour de rôle. Cette technique élimine le besoin de câbler des lignes dédiées pour chaque information à faire transiter (connexion point-à-point). Dès qu'un système (voiture, avion, réseau téléphonique...) atteint un certain niveau de complexité, l'approche point-à-point devient impossible du fait de l'immense quantité de câblage à installer et de son coût (en masse, matériaux, main d'œuvre, maintenance).

L'introduction des bus multiplexés (principalement le CAN) dans l'automobile avait pour objectif de réduire la quantité de câbles dans les véhicules (il y avait alors jusqu'à 2 km de câbles par voiture), mais elle a surtout permis l'explosion du nombre de calculateurs et capteurs distribués dans tout le véhicule, et des prestations correspondantes (baisse de consommation, dépollution, sécurité active/passive, confort, détection des pannes...), tout en diminuant les longueurs câblées.

HistoriqueModifier

Le bus de données CAN est le fruit de la collaboration entre l'Université de Karlsruhe et Bosch.

Il fut d'abord utilisé dans le secteur de l'automobile, mais est actuellement utilisé dans la plupart des industries comme l'aéronautique via des protocoles standardisés basés sur le CAN.

Il fut présenté avec Intel en 1985, mais ne fut standardisé par l'ISO qu'au début des années 1991.

En 1992 plusieurs entreprises se sont réunies pour créer le CAN in Automation, une association qui a pour but de promouvoir le CAN.

Couche physiqueModifier

Il existe deux normes pour la couche physique :

  • ISO 11898-2 (2003) : CAN « high-speed » (jusqu'à 1Mbits/s),
  • ISO 11898-3 (2006) : CAN « low-speed, fault tolerant » (jusqu'à 125kbits/s).

TopologieModifier

CAN est un bus de données série bidirectionnel half-duplex dans le domaine automobile, mais est utilisé en unidirectionnel — simplex — dans l'aéronautique, pour obtenir un comportement déterministe.

Chaque équipement connecté, appelé « nœud », peut communiquer avec tous les autres.

Pour un bus de données CAN « basse vitesse », le nombre de nœuds est limité à 20. Pour un bus de données CAN « haute vitesse », il est limité à 30.

SupportModifier

Chaque nœud est connecté au bus par l'intermédiaire d'une paire torsadée (blindée ou non).

Les deux extrémités du bus doivent être rebouclées par des résistances de 120 Ω (tolérance entre 108 Ω et 132 Ω).

L'accès au bus de données CAN suit la technique CSMA/CR (écoute de chaque station avant de parler mais pas de tour de parole, résolution des collisions par priorité).

La longueur maximale du bus est déterminée par la vitesse utilisée :

Vitesse (kbit/s) Longueur (m)
1000 30
800 50
500 100
250 250
125 500
62,5 1000
20 2500
10 5000

Encodage des bitsModifier

L'encodage utilisé est de type NRZ (non retour à 0) :

États logiques et Niveaux électriquesModifier

Les nœuds sont câblés sur le bus par le principe du « OU câblé » du point de vue électrique (« ET câblé » du point de vue logique), ce qui veut dire qu'en cas d'émission simultanée de deux nœuds, la valeur 0 écrase la valeur 1.

On dit donc :

  • que l'état logique « 0 » est l'état « dominant »,
  • que l'état logique « 1 » est l'état « récessif ».

Les états logiques et les niveaux électriques utilisés entre les deux lignes de la paire différentielle pour le CAN low-speed sont les suivants :

Etat logique VCANH-GND VCANL-GND VCANH-CANL
Récessif ou « 1 » 1,75 V 3,25 V -1,5 V
Dominant ou « 0 » 4 V 1 V 3 V

Les états logiques et les niveaux électriques utilisés entre les deux lignes de la paire différentielle pour le CAN high-speed sont les suivants :

Etat logique VCANH-GND VCANL-GND VCANH-CANL
Récessif ou « 1 » 2,5 V 2,5 V de 0 à 0,5 V
Dominant ou « 0 » 3,5 V 1,5 V de 0,9 à 2 V

Temps et vitesseModifier

La durée d'un bit est appelée « Nominal Bit Time ».

Chaque bit est constitué de plusieurs segments cadencés par l'horloge interne de chaque nœud :

  • segment de synchronisation,
  • segment de propagation,
  • segment de phase buffer n° 1,
  • segment de phase buffer n° 2.

Time QuantumModifier

Le « Time Quantum » est l'unité de temps construite à partir de la période de l'oscillateur interne de chaque nœud.

La fréquence du bus étant au maximum de 1 MHz et celles des oscillateurs de plusieurs MHz, le « Time Quantum » vaut généralement plusieurs périodes d'horloge (entre 1 et 32 fois).

La durée de chaque segment est la suivante :

Segment Durée en « Time Quantum »
Synchronisation 1
Propagation de 1 à 8
Phase buffer n° 1 de 1 à 8
Phase buffer n° 2 de 2 à 8

Ainsi la durée d'un bit peut varier de 5 à 25 « Time Quantum ».

Plus la fréquence de l'horloge interne du nœud est importante, plus la durée du « Time Quantum » pourra être faible, plus les 3 derniers segments compteront de « Time Quantum » et meilleure sera la précision de la synchronisation.

Segment de synchronisationModifier

Le segment de synchronisation est utilisé pour synchroniser les différents nœuds.

La transition de 0 à 1 ou de 1 à 0, effectuée pour le nœud émetteur, doit s'effectuer dans ce segment. Si pour un nœud récepteur cette transition n'a pas lieu dans ce même segment, c'est qu'il est désynchronisé. Il s'agit d'une erreur de phase.

Grâce au bit de transparence, cette vérification peut être faite au moins tous les 5 bits (pour les premiers champs de la trame dans lequel il est utilisé).

Segment de propagationModifier

Le segment de propagation est utilisé pour compenser les phénomènes de propagation sur le bus.

Segments de phaseModifier

Les segments de phase sont utilisés pour compenser les erreurs de phase détectées lors des transitions.

La durée de ces segments peut varier en cas de resynchronisation.

Point d'échantillonnageModifier

Le point d'échantillonnage ou « Sample point » est l'instant où on lit la valeur du bit sur le bus. Celui-ci intervient entre les 2 segments de phase.

SynchronisationModifier

Il existe 2 types de synchronisation :

  • la hard-synchronisation qui consiste à se resynchroniser brutalement dès qu'une transition est détectée dans le segment de synchronisation, notamment lors du SOF (Start Of Frame) d'une nouvelle trame,
  • la resynchronisation qui consiste à allonger le segment de phase buffer n°1 ou à diminuer le segment de buffer phase n°2, ce qui a 2 effets :
    • déplacer le point d'échantillonnage,
    • diminuer ou augmenter la durée du bit et ainsi améliorer la synchronisation du bit suivant.

ConnecteurModifier

Le brochage sur le bus de données CAN est normalisé et utilise un connecteur DE-9 :

Broche Description
1 (Réservé)
2 CANL
3 Masse
4 (Réservé)
5 Blindage (optionnel)
6 Masse
7 CANH
8 (Réservé)
9 Alimentation externe (optionnel)

Couche liaison de donnéesModifier

Il existe également 2 standards pour la couche de liaison de données :

  • ISO 11898 part A → CAN 2.0A « standard frame format » (identification sur 11bits),
  • ISO 11898 part B → CAN 2.0B « extended frame format » (identification sur 29bits).

Il existe plusieurs types de trame :

  • Trame de données,
  • Trame de requête,
  • Trame d'erreur,
  • Trame de surcharge.

Entre 2 trames, les émetteurs doivent respecter une pause (période d’inter-trame) équivalente à la durée de 3 bits pendant laquelle le bus est maintenu à l'état récessif.

Trame de donnéesModifier

La trame de données sert à envoyer des informations aux autres nœuds.

Une trame de données se compose de 7 champs différents :

  • Le début de trame ou SOF (Start Of Frame) matérialisé par 1 bit dominant,
  • Le champ d'arbitrage (identificateur) composé de 12 ou 32 bits,
  • Le champ de commande (ou de contrôle) composé de 6 bits,
  • Le champ de données composé de 0 à 64 bits (de 0 à 8 octets),
  • Le champ de CRC composé de 16 bits,
  • Le champ d'acquittement composé de 2 bits,
  • La fin de trame ou EOF (End of Frame) matérialisée par 7 bits récessifs.

Ordre de transmission des bitsModifier

Les champs sont transmis dans l'ordre du SOF à l'EOF.

Dans chaque champ de la trame, les bits sont transmis du plus fort au plus faible.

Champ d'arbitrageModifier

Le champ d'arbitrage est composé de 11 bits d'identification pour CAN 2.0A et 29 bits pour CAN 2.0B suivis par le bit RTR (Remote Transmission Request) qui est dominant.

Ce champ sert d'identifiant pour la donnée transportée dans le champ de données.

Les 11 bits de CAN 2.0A autorisent 211 = 2048 combinaisons.

Les 29 bits de CAN 2.0B autorisent 229 = 536 870 912 combinaisons.

Champ de commandeModifier

Le champ de commande est composé de 6 bits.

Le bit de poids fort est utilisé pour différencier le type de trame :

  • Dans le cas d'une trame standard (sur 11 bits), le bit de poids fort est dominant,
  • Dans le cas d'une trame étendue (sur 29 bits), le bit de poids fort est récessif,

Le bit suivant n'est pas utilisé.

Les 4 bits de poids faibles appelés DLC (Data Length Code) représentent le nombre d'octets du champ de données (PAYLOAD) embarqué.

Ce nombre d'octets peut varier de 0 à 8, soit 9 valeurs stockées avec les 4 bits du champ DLC. Les valeurs DLC supérieures à 9 ne seraient donc pas utilisées (de 9 à 15).

Champ de donnéesModifier

Le champ de données peut varier de 0 à 8 octets.

Dans le cas d'une trame de requête le champ de données est vide.

Champ de CRCModifier

Le champ est composé de 15 bits de CRC (Cyclic Redundancy Check) et d'un bit dit délimiteur (« CRC delimiter ») toujours récessif.

Le CRC est calculé à partir de l'ensemble des champs transmis jusque-là (c'est-à-dire le SOF, le champ d'arbitrage, le champ de commande et le champ de données; les bits de transparence ne sont pas pris en compte). L'ensemble constitue le polynôme f(x).

L'algorithme consiste dans un premier temps à multiplier f(x) par 215.

Ensuite le polynôme f(x) est divisé (modulo 2) par le polynôme g(x)=x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+x0.

Une fois les divisions successives effectuées, le reste constitue la séquence de CRC.

La distance de Hamming de l’algorithme utilisé est de 6, ce qui signifie que 5 erreurs au maximum sont détectables.

Grâce à ce système de détection, le taux d’erreur enregistré est très faible (inférieur à 4,6.10-11). De plus, le réseau est capable de différencier les erreurs ponctuelles des erreurs redondantes. Ainsi, tout périphérique défaillant peut être déconnecté du réseau afin de limiter les perturbations. Le réseau entre alors en mode « dégradé ».

Champ d'acquittement ACKModifier

Le champ est composé d'un bit d'acquittement ACK (ACKnowledge) et d'un bit dit délimiteur (« ACKnowledge delimiter ») toujours récessif.

Tous les récepteurs qui ont bien reçu le message doivent l'acquitter en émettant un bit dominant pendant la durée du bit ACK, ce qui permet au nœud émetteur de savoir qu'au moins un des nœuds récepteurs a reçu le message.

Si un nœud récepteur n'a pas ou mal reçu le message, il ne peut pas se servir de ce mécanisme pour signaler l'erreur, puisqu'il suffit qu'une station réceptrice envoie un bit dominant pour masquer tous les bits récessifs. Pour signaler le dysfonctionnement, il doit émettre une trame d'erreur.

Trame de requêteModifier

La trame de requête sert à demander une donnée à un autre nœud. Elle est similaire à la trame de données hormis :

  • Le champ de données est vide,
  • Le bit RTR du champ d'arbitrage est récessif,
  • Les 4 bits DLC du champ de commande correspondent au nombre d'octets attendus dans la réponse.

À noter que le fait que le bit RTR soit récessif dans le cas d'une trame de requête fait que si une trame de données est émise simultanément avec le même champ d'arbitrage, c'est la trame de données qui est prioritaire.

Bit de transparenceModifier

Afin de sécuriser la transmission des messages, la méthode du « bit-stuffing » est utilisée.

Elle consiste, dans le cas où l’on a émis 5 bits de même polarité d'affilée, d'ajouter à la suite un bit de polarité contraire, pour casser des chaînes trop importantes de bits identiques. Cette méthode n'est appliquée que sur les champs SOF, d'arbitrage, de commande, de data et de CRC (délimiteur exclu).

Par exemple, « 1111 1110 » deviendra « 1111 1011 0 ».

Priorité de transmissionModifier

Que se passe-t-il si plusieurs nœuds tentent de transmettre simultanément?

Il existe une procédure d'accès au bus à laquelle chaque nœud doit se soumettre :

  • lorsqu'il transmet un bit, le nœud doit rester à l'écoute du bus. Dit autrement, après avoir envoyé un bit, il lit le bus et vérifie que le bit lu correspond à celui transmis,
  • s'il y une différence (forcément sur un bit récessif), c'est qu'un autre nœud l'a écrasé par un bit dominant,
  • le nœud doit alors interrompre sa transmission, monitorer le bus pour attendre la fin de la transmission, puis tenter à nouveau d'envoyer son message.

Ainsi une priorité est réalisée grâce au champ d'arbitrage.

Plus celui-ci est petit, plus il contient des bits de poids forts à 0 (dominant), plus il sera prioritaire.

Cette phase de priorisation ou d'arbitrage prend fin au bit RTR.

Trame d'erreurModifier

Dès la détection d'une erreur, le nœud n'attend pas la fin de la trame incriminée, il envoie immédiatement une trame d'erreur pour signaler un problème dans la transmission.

Une trame d'erreur se compose de 2 champs différents :

  • Le drapeau d'erreur composé de 6 bits,
  • Le délimiteur composé de 8 bits récessifs.

La trame d'erreur peut être :

  • « active » si le drapeau d'erreur est composé de 6 bits dominants,
  • « passive » si le drapeau d'erreur est composé de 6 bits récessifs.

ErreursModifier

Un certain nombre d'erreurs sont détectables par les nœuds.

Bit errorModifier

Chaque fois qu'un nœud émet un bit sur le bus, il relit le bus et doit retrouver le bit qu'il a écrit. Si sur l'envoi d'un bit récessif, il relit un bit dominant, c'est que celui-ci a été altéré.

Ce mécanisme est identique à celui permettant la priorisation, c'est pourquoi il ne faut pas en tenir compte dans le champ d'arbitrage.

Idem pour le champ d'acquittement, si le bit récessif envoyé par le nœud émetteur devient dominant, c'est simplement qu'un ou plusieurs nœuds récepteur ont confirmé la bonne réception de la trame, ce n'est donc pas une erreur.

Stuff errorModifier

Si sur le bus on lit 6 bits de même polarité consécutifs, c'est que le mécanisme du bit de transparence n'a pas été respecté ou qu'un bit a été altéré.

CRC errorModifier

Si la valeur de CRC calculée par le nœud récepteur est différente du CRC codé dans la trame par le nœud émetteur, c'est que la trame a été altérée.

CRC delimiterModifier

Si le bit « CRC delimiter » lu par les nœuds récepteurs n'est pas récessif, c'est que le bit a été altéré.

ACKnowledge errorModifier

Si le bit ACK récessif envoyé par le nœud émetteur n'a pas été écrasé par un bit dominant, c'est qu'aucun nœud récepteur ne l'a reçu.

ACKnowledge delimiterModifier

Si le bit « ACKnowledge delimiter » lu par les nœuds récepteurs n'est pas récessif, c'est que le bit a été altéré.

Recouvrement des erreursModifier

Par construction, la trame d'erreur brise la règle du bit-stuffing puisque l'on a quoi qu'il arrive les 6 bits du drapeau d'erreur sont identiques.

Lorsqu'un nœud émet une trame d'erreur, tous les autres nœuds détectent donc une erreur de type « Stuff error » et se mettent à envoyer également une trame d'erreur.

Dans le cas de trames d'erreurs actives, le nombre de bits dominants d'affilée ne doit pas dépasser 12 bits. Au-delà les nœuds n'ayant pas émis leur trame d'erreur ne doivent pas le faire.

Le dernier nœud à émettre fournit le délimiteur (8 bits récessifs) et met fin à la cacophonie.

Le nœud ayant émis la trame incriminée retente alors sa chance.

Et ainsi de suite, jusqu'à ce que la trame passe ou qu'un de ses compteurs d'erreur fasse changer de mode d'erreur au nœud.

Compteurs d'erreurModifier

Chaque nœud possède deux compteurs d'erreur :

  • un compteur d'erreur de transmission ou « Transmit Error Counter » (TEC),
  • un compteur d'erreur de réception ou « Receive Error Counter » (REC).
TECModifier

Le compteur d'erreur de transmission d'un nœud en mode émetteur est :

  • incrémenté de 8 :
    • si le nœud envoie un drapeau d'erreur sauf :
      • en cas de « ACKnowledge error » et qu'il est en mode d'erreur passive,
      • en cas de « Stuff error » durant la période d'arbitrage,
    • si le nœud reçoit 7 bits dominants consécutifs après un drapeau d'erreur ou un drapeau de surcharge,
  • décrémenté de 1 si la transmission du nœud se déroule sans erreur.
RECModifier

Le compteur d'erreur de réception d'un nœud en mode récepteur est :

  • incrémenté de 1 si le nœud détecte une erreur de réception, sauf en cas de « Bit error » pendant un drapeau d'erreur ou un drapeau de surcharge,
  • incrémenté de 8 :
    • si le nœud reçoit un bit dominant juste après un drapeau d'erreur,
    • si le nœud détecte un « Bit error » pendant un drapeau d'erreur ou un drapeau de surcharge,
    • si le nœud reçoit 7 bits dominants consécutifs après un drapeau d'erreur ou un drapeau de surcharge,
  • décrémenté de 1 s'il est inférieur à 127 et que le nœud reçoit une trame sans erreur,
  • ramené entre 119 et 127, s'il était supérieur à 127 et que le nœud reçoit une trame sans erreur.

Modes d'erreurModifier

En fonction des compteurs d'erreur, le nœud change de mode d'erreur. Il en existe trois :

  • Mode d'erreur active : dans le cas où TEC et REC sont inférieurs à 127. Le nœud émet alors des trames d'erreur active.
  • Mode d'erreur passive : dans le cas où TEC ou REC est supérieur/égal à 128 et inférieur à 255. Le nœud émet alors des trames d'erreur passive.
  • Mode « Bus Off » : dans le cas où TEC ou REC est supérieur à 255. Le nœud se déconnecte du bus. Pour sortir de ce mode, le nœud doit recevoir 128 trames de 11 bits récessifs.

Trame de surchargeModifier

La trame de surcharge peut être utilisée dans 2 cas :

  • Lorsque le nœud demande un délai avec la réception d'une nouvelle trame,
  • Lorsque le nœud détecte un bit dominant pendant une période d’inter-trame (3 bits récessifs entre les trames).

Une trame de surcharge se compose de 2 champs différents :

  • Le drapeau de surcharge composé de 6 bits dominants,
  • Le délimiteur composé de 8 bits récessifs.

La trame de surcharge est similaire à une trame d'erreur active.

Lorsqu'un nœud émet une trame de surcharge pour demander un délai (condition n°1), il écrase les 3 bits récessifs de la période d’inter-trame, les autres nœuds détectent la surcharge, et elles émettent elles-mêmes des trames de surcharge (condition n°2).

Tout comme pour les trames d'erreurs actives, le nombre de bits dominants d'affilée ne doit pas dépasser 12 bits. Au-delà les nœuds n'ayant pas émis leur trame de surcharge ne doivent pas le faire.

Le dernier nœud à émettre fournit le délimiteur (8 bits récessifs) et met fin à la cacophonie.

Couche applicationModifier

Plusieurs couches applications ont été définies sur la norme CAN :

BibliographieModifier

  • Dominique Paret, Le bus Can : Description, de la théorie à la pratique, Dunod, , 277 p. (ISBN 978-2100047642)
  • (en) Wolfhard Lawrenz, CAN System Engineering From Theory to Practical Applications, Springer, , 468 p. (ISBN 978-0387949390)
    Livre en anglais écrit par le chef de projet du réseau CAN chez Bosch lors de la création du protocole.

Notes et référencesModifier

Voir aussiModifier