Asansörler için CAN Otobüsü

Bu önemli veri iletim sisteminin detayları, sıfırdan verilmiştir.

Kontrolör Alan Ağı (CAN) veri yolu, asansör teknolojisinde son yıllarda rağbet gören birkaç seri veri yolu elektronik iletişim yönteminden biridir. Bu ve benzeri uygulamalardaki olağanüstü başarısı, güvenilirliği ve düşük maliyeti, hareketli kablo(lar)da ve kurulum boyunca azaltılmış tel sayısı sayesindedir. Elektronik gürültüye karşı daha az sonlandırma ve daha fazla bağışıklık vardır.

Öğrenme hedefleri

Bu makaleyi okuduktan sonra şunları öğrenmiş olmalısınız:
♦ CAN bus'ın olağanüstü başarısının nedenleri
♦ Seri ve paralel veri yolları arasındaki farklar
♦ CAN bus neden asansör kurulumlarında iyi çalışır?
♦ LLC ve MAC alt katmanları arasındaki farklar
♦ Veri yansımaları neden zararlıdır?

Arka plan olarak, bu makale bazı tanımları gözden geçirecek ve CAN veri yolunun bir otomotiv yeniliği olarak ilk olarak nasıl geliştirildiğini izleyecektir. Ama önce, otobüs nedir? Toplu taşımada kullanılan büyük bir aracın adı gibi, kelime de Latince "herkes için" anlamına gelen "omnibus" kelimesinden türetilmiştir.

Bir elektrikçi için "otobüs", elektrik güç dağıtımında elektriği ileten, genellikle enine kesiti dikdörtgen olan metal bir çubuk veya şerit anlamına gelir. Genellikle, nispeten kısa mesafelerde, genellikle bir şalt muhafazası içinde çok fazla elektrik iletilir. Bilgi işlem ve iletişim sistemlerinde (burada uğraştığımız şey), “otobüs”ün birbiriyle ilişkili olsa da farklı bir anlamı vardır. Tek bir iletkenden ziyade, verileri ileten komple sistemdir. Bir baskılı devre kartı üzerindeki entegre devreler veya diğer cihazlar arasındaki, bitişik kartlardaki cihazlar arasındaki, yerel alan ağındaki bilgisayarlar arasındaki veya farklı konumlardaki elektrikli ekipman parçaları arasındaki yoldur. Bir veri yolu, bir veya daha fazla (bazen çok) iletkenli kabloyu ve her iki ucundaki donanımı, ayrıca yazılımı ve yazılı belgeleri ve protokolleri içerir. Bu nedenle, bir veri yolu, elektrik işinde olduğu gibi yalnızca metal bir iletken değil, teorik temelleri de dahil olmak üzere eksiksiz bir alt sistemdir.

Erken veri iletiminde, baskın ortam paralel veriyoluydu, ancak bunun yerini büyük ölçüde seri veri yolu aldı; I2C, SPI, RS232, LIN, FlexRay, ses, USB ve MIL-STD-1553'ü içeren geniş bir kategori.

Paralel veri yolu, seri veri yolu teknolojilerinden önce geliyordu. İlkini anlamak daha kolaydır ve sorun giderme ve onarımı daha kolaydır, ancak çok daha az verimlidir ve çok daha fazla kablolama ve çok daha fazla sonlandırma gerektiğinden, ilk kurulum daha maliyetlidir. Seri veri iletimi, bazı karmaşık çoğullama kavramlarını kullanır, ancak (çoğunlukla) iki telli devrede çözüldüğünden, işin çoğu basit tak ve çalıştırdır.

Paralel bir veri yolunda aynı anda veri ileten birden fazla ayrı iletken bulunurken, bir seri veri yolunda veri bitleri çok hızlı da olsa birer birer sırayla iletilir. Bu, paralel bir veri yolunun bir seri veri yolundan daha hızlı veri iletebileceğini önerebilir, ancak paralel veri iletimindeki belirli verimsizlikler nedeniyle durum böyle değildir. Birincisi, paralel bir veri yolunun bir seri veri yolunda mevcut olan yüksek saat hızlarını sürdürmesi mümkün değildir. Bir paralel veriyolu tipik olarak saat sinyali, veri iletimi, veri alımı, el sıkışma sinyalleri ve diğerleri için ayrı iletkenlere sahiptir. Genel iletim hızı, bu kanalların en yavaşı ile sınırlıdır. Ayrıca, çoklu iletkenler nedeniyle, sinyal yansımalarına ve veri hatalarına neden olan karakteristik empedans uyumsuzluğuna ek olarak, karışma ve seri endüktif ve paralel kapasitif kayıp için daha büyük bir potansiyel vardır. Paralel kablolama da daha fazla fiziksel hasara maruz kalır ve endişelenecek daha çok sonlandırmalar vardır.

Paralel iletişim hala entegre devrelerde, endüstriyel üretimde, bilimsel enstrümantasyonda ve rastgele erişimli bellek cihazlarında kullanılmaktadır. Ancak seri iletişime geçiş hızla devam etti ve şüphesiz geleceğin dalgası olacak.

Bilgisayar ağları, uzun mesafeli çok iletkenli paralel kablolamadaki maliyet ve doğal kayıplar engelleyici olduğundan, zorunlu olarak her tür uzun mesafeli veri iletimi için kullanılan seri iletişime geçti.

Bu izlenimin aksine, seri teknoloji çoğaldığından, her biri farklı bir topolojiye, fiziksel katmana ve işletim protokolüne sahip çok sayıda varyant ortaya çıktı. Bazıları çerçeveli akışlarda veri iletir, veri çarpışmalarını önlemek için bir tahkim mekanizması ve bir ana/bağımlı mimari. Seçici alım için bir adres sistemi kullanılabilir veya tüm (düğümlerin) duyması için veriler iletilebilir. İletim tek yönlü veya tam çift yönlü olabilir.

Beklenebileceği gibi, asansör üreticileri seri iletimin faydalarını ve CAN veri yolunun benzersiz uygunluğunu fark ettiler. Almanya, Stuttgart yakınlarında bulunan otomotiv elektronik ekipmanı ve ilgili ürünlerin büyük üreticisi Robert Bosch GmbH, 1983 yılında CAN bus üzerinde çalışmaya başladı. Fikir, eski dünya otomotiv kablo demetini, birçok alt sistemler yeni arabalara ve kamyonlara tanıtılıyor. Bu yeni teknoloji, elbette, mikroçipler gerektirecektir. 1987'de Intel ve Philips yarı iletkenleri ihtiyacı doldurmaya başladı, ardından 1988'de BMW, bir CAN bus multipleks elektrik sistemi içeren 8 Serisi ile çıktı.

Bosch, en son CAN 2.0 (1991) olan CAN veri yolu ayrıntılarını belirlemeye devam etti. Kısım A, 11 bitlik bir tanımlayıcı belirtir ve standart format olarak kabul edilirken, genişletilmiş format olan Kısım B, 29 bitlik bir tanımlayıcı kullanır. Bu iki parça “CAN 2.0A” ve “CAN 2.0B” olarak etiketlenmiştir. Bosch, ilgili spesifikasyonlara ve teknik incelemelere ek olarak standartları ücretsiz olarak dağıtır.

11898 yılında ISO 1993'i yayınlayan Standardizasyon Organizasyonu (ISO) bu alanda önemli bir oyuncu olmuştur. Bu standardın 1. Kısmı veri bağlantı katmanını açıklar ve 2. Kısım yüksek hızlı CAN için fiziksel katmanı kapsar. Daha sonra ISO, düşük hızlı, hataya dayanıklı CAN veri yolu olarak bilinen şeyin fiziksel katmanıyla ilgili olan ISO 11898-3'ü yayınladı.

CAN veri yolu kullanımı, otomobillerdeki ilk uygulamasının çok ötesine, endüstriyel ve tarım makinelerine, tıbbi sistemlere, deniz navigasyonuna ve asansör sistemlerinin kontrolüne yayıldı. Hepsi düşük maliyetli entegre kontrolörler kullanan çeşitli teknoloji türleri vardır:

• Yüksek hızlı CAN veri yolu, diferansiyel sinyalleme içerir ve bu da onu gürültüye karşı nispeten bağışık hale getirir. Genellikle 0.5-1.0 Mbps hızında çalışır. Her ikisi de topraktan izole edilmiş iki kablo gereklidir.
• Düşük hızlı CAN veri yolunun uygulanması daha ucuzdur ve otomotiv radyosu ve kapı kontrolü gibi daha az kritik uygulamalarda kullanılır. Daha düşük frekans nedeniyle, diferansiyel sinyalleme gerekli değildir, çünkü gürültüye karşı bağışıklık daha az sorun teşkil eder. Araç şasisi toprak dönüşü işlevi gören yalnızca bir tel kullanılır.
• Hataya dayanıklı CAN veri yolu, karma bir uygulamadır. Esasen, kablolardan birinin ortadan kaldırıldığı yüksek hızlı CAN veriyoludur. Hava yastıklarını kontrol etmek için otomobillerde yaygın olarak kullanılır.
• CAN FD ("FD", "esnek veri hızı" anlamına gelir) daha az gecikmeyle daha uzun mesajlara izin vermesi beklenen yeni bir teknolojidir.

CAN bus'ın gelişimi yalnızca otomotiv koşum takımları için olmasına rağmen, on yıl içinde aviyonik, tesis ve fabrika kontrolü, tıbbi cihazlar ve diğerleri gibi çok sayıda alana yayıldı.

Asansör teknolojisi ile ilgili olarak, CAN bus mükemmel bir seçimdir. Bir grup kurulumu (büyük bir yüksek binada olduğu gibi), ayrı kuyularda dikey olarak hareket eden birkaç arabadan oluşur. Hareket eden kabloların mucizesi sayesinde, mütevazi bir miktarda elektrik gücü ve yeterli sayıda seri veri yolu hareket halindeki arabalara getirilebilir.

Bir asansör grubu kurulumu için çok temel olan elektrik sistemine bakıldığında, en belirgin ve temel olanı, elektrik şebekesinden kaynaklanan güçtür. Aslında bu, bireysel türbinlere veya giderek artan şekilde güneş panellerine bağlı çok sayıda ağ bağlantılı jeneratörden oluşan bir güç şebekesidir. Bu karmaşık dağıtım sistemi, binanın servis girişinden ve çok sayıda aşırı akım korumalı dal devresi aracılığıyla kullanım noktasına trilyonlarca elektron enjekte eder.

Bir asansör grubu kurulumunda elektrik iki şekilde kullanılır. İlk olarak, ağır kaldırma işini yapan ve genellikle rejeneratif frenlemenin yanı sıra güç veren ışıklar, dirençli ısı, buharlaşmalı klima, kapı işlevleri ve benzerlerini sağlayan motorlara güç sağlar. Bütün bunlar analog etki alanı olarak kabul edilebilir. Elektriğin kullanıldığı diğer bir yol olan dijital alan, bilginin yaratılması, işlenmesi ve gösterilmesi ile ilgilidir. Bu iki çalışma modu eşit derecede önemlidir ve aslında asansör işlevselliği için gereklidir.

Tasarım ve kurulum çalışanları ve bakım personeli dahil olmak üzere asansör uzmanları, genellikle birlikte bu iki modda çalışır. İyi bir asansör tesisatı oluşturmak için bu kişilerin her iki dünyayı da tam olarak anlamaları gerekir. Değişken frekanslı bir sürücüden (VFD) motora giden güç akışı, yüksek akım ve voltaj seviyeleri nedeniyle karşılaşılması gereken zorluklar ve potansiyel tehlikeler olsa bile basit ve anlaşılması kolaydır.

Buna karşılık, dijital alan daha dik bir öğrenme eğrisi içerir. Bir asansör montajı kesintili olarak veya hiç çalışmadığında ve güç kaynağı, VFD, güç iletimi, motor ve yükleme sorunları ortadan kalktığında, bir sonraki adım veri iletimi ve alımından oluşan dijital ucuna bakmaktır. Daha önce belirtildiği gibi, CAN bus, dijital iletimin söz konusu olduğu yerlerde önemli bir rol oynar ve bu, öngörülebilir gelecekte de geçerli olacaktır.

CAN veri yolu bağlantısı, diğer seri veri yolu türleri gibi, fiziksel bir katmandan (bit kodlaması, zamanlama, senkronizasyon ve konektör ve kablo türleri dahil) ve mantıksal bağlantı kontrolü (LLC) ve ortam erişiminden oluşan bir veri bağlantısı katmanından oluşur. kontrol (MAC) alt katmanları. LLC alt katmanı, bilgilerin başlangıçtan hedefe iletilmesini sağlar. Buna veri aktarımı ve uzak veri talepleri, alınan mesajın kabulünün bir parçası olarak mesaj filtreleme ve kurtarma yönetimi (yani aşırı yük bildirimi) dahildir.

CAN protokolü spesifikasyonunun temel odak noktası, çok geniş bir kategori için olan MAC alt katmanıdır: mesaj çerçeveleme, iletişim ortamı tahkim, onay yönetimi, hata tespiti ve sinyalleşme. Akla gelebilecek kalıcı bir hata algılanırsa, hata durumları izlenmeli ve etkilenen düğümün işlemleri sınırlandırılmalıdır ve bu görev bir denetleyici tarafından gerçekleştirilir. Orijinal Bosch standardı, fiziksel katmanın tüm yönlerini kapsamadı. Hariç tutulan unsurlar, kablo ve konektör türlerini ve kabul edilebilir voltaj ve akım aralıklarını içeriyordu. Bunun yerine orijinal standart, bit kodlama, zamanlama ve senkronizasyona odaklandı.

CAN veriyolunda baskın bir özellik olan sinyal tipi, sıfıra dönüşsüz (NRZ) bit kodlaması olarak bilinir. Bu önemlidir, çünkü minimum sayıda geçiş içerir. Kurulan ortam durumları, keyfi olarak sıfıra eşit olan baskın ve bir olan çekiniktir. Bu kulağa geriye dönük gelebilir, ancak standart ve uygulama tutarlı olduğu için bu bir sorun değildir.

Tüm düğümler, bit kenarlarında senkronize edilir ve buna göre, tüm düğümler, o anda iletilen bitin değeri açısından uyum içindedir. Bunun sürekli olarak gerçekleşmesi için, her düğüm, alıcıdaki bit hızını iletilen bitlerinkiyle hizalayan bir senkronizasyon biçimini sürdürmek zorundadır. Bunu yapmak için, düğümler geçiş kenarlarıyla uyumlu olarak senkronize edilir. Senkronizasyon, düğüm bit saatinin kaymasına neden olacak uzun bir dizi tarafından tehlikeye atılacaktır. Bu sonucu önlemek için, bit doldurma (bit dolgu olarak da bilinir) kullanılır. Buradaki fikir, beş özdeş bitin (00000 veya 11111) herhangi bir çalışmasından sonra akışa bir bitin eklenmesidir. Bit doldurma, vericide başlatılır ve doğru senkronizasyonu sağlayan çerçeve içeriği işlemeden önce alıcıda kaldırılır.

Tahkim protokolü ve verilerin verimli yönetimi için gerekli olan bit senkronizasyonu, başlangıçta her asenkron aktarıma eşlik eden başlangıç ​​bitinin alınmasıyla gerçekleştirilir. Ardından, mesajların doğru bir şekilde alınması gerekiyorsa, sürekli olarak yeniden eşitleme gereklidir. Bit zamanlaması, protokolde belirtildiği gibi diğer gereksinimler tarafından ayrıca koşullandırılır. Örneğin, veri yolu hakemliğini ve mesaj kabulünü ve hata sinyalleşmesini geliştirmek için düğümler, bit durumunu çekinikten baskın olana değiştirme yeteneğine sahiptir. Bu gerçekleştiğinde, ağdaki diğer tüm düğümlerin bit iletimi sırasında değişiklikten haberdar edilmesi bir başka gerekliliktir. Göndericiden alıcıya gidiş-dönüş ve geri dönüş yapmak için bit geçişi için bit süresi yeterli olmalıdır.

Vericilerde ve alıcılarda meydana gelen herhangi bir sinyal gecikmesine ek olarak, sinyal iletimi için bir yayılma gecikmesi yeterli olmalıdır. Toplam gecikme, birbirinden en uzak olan düğümler arasındaki mesafeye bağlıdır.

Cihaz tasarımcıları, CAN kontrolörlerini kayıtlar kullanarak programlar. Yayılma gecikmesinin miktarını tespit etmek gereklidir ve bu, belirli bir veri hızında maksimum veri yolu uzunluğunu veya belirli bir veriyolu uzunluğundaki veri hızını belirler. Fiziksel katman, iletim sırasında tüm düğümlerin bit düzeyinde senkronize kalması gereksiniminden kaynaklanan kısıtlamalara tabidir.

CAN bus tasarımcıları kesinlikle veri yansımalarından kaçınmalıdır. İki ana nedeni vardır: giriş veya çıkış ile kablo arasındaki empedans uyumsuzluğu ve uzun düşük empedanslı saplama uzunlukları. Bunlar genellikle tasarım sorunlarıdır, bu nedenle bir sistem çalışır duruma geldiğinde, bir kablo sıkışmadığı veya hasar görmediği veya bir uç gevşemediği veya oksitlenmediği sürece bir sorun olmamalıdır. Yüksek hızlı CAN bu konuda daha kritiktir.

Empedans eşleşmesini sağlamak için sonlandırma dirençleri kullanılır. ISO 11898, 120 ohm kabloyu belirtir, bu nedenle sonlandırmalarda 120 ohm dirençler kullanılır. Kablo boyunca birden fazla cihaz bulunduğunda, yalnızca hattın sonundakiler için sonlandırma dirençleri gerekir. Düşük hızlı CAN'da, tüm ağ cihazları, her veri hattı için sonlandırma dirençlerine ihtiyaç duyar. Bunlar, bazı üreticiler tarafından donanıma entegre edilmiştir, bu nedenle kurulum belgelerine başvurmak önemlidir.

CAN protokolünde dört olası çerçeve vardır. Veri çerçevesi, bir veya daha fazla alıcıya gönderilen verileri içerir. Çerçeve, aynı tanımlayıcıya sahip bir veri çerçevesiyle bağlantılı olarak bir bilgi talebi içerir. Ağ düğümlerinden biri bir hata tespit ettiğinde bir hata çerçevesi gönderilir. Veri çerçevesi veya uzak çerçeve iletiminin yeniden başlatılmasından önce gerekirse ek süre talep etmek için bir aşırı yük çerçevesi kullanılır.

Veri çerçeveleri, diğer seri veri yollarından farklı olarak, ayrı adreslerle tanımlanmayan alıcılara bilgi gönderir. Bunun yerine, alıcı düğümler, çerçevenin tanımlayıcısında kodlanmış olarak içerdikleri bilgilere göre alacakları mesajları belirtir. CAN mesajları, iki alternatif tanımlayıcı türünden birine sahip olabilir. Standart çerçeveler 11 bitlik tanımlayıcı alanlara sahiptir. Genişletilmiş çerçeveler 29 bitlik tanımlayıcı alanlara sahiptir. Her ikisi de aynı veya farklı düğümler tarafından tek bir veri yolunda iletilebilir. Hakemler bu çerçeve türleri arasında ayrım yapabilir.

Boşta kalan bir veri yolunun çekinik durumu, tek bir baskın bit içeren bir çerçevenin başlatılmasıyla kesintiye uğrar. Ardından, tanımlayıcı alanı, mesaj için tahkim önceliğini ve mesaj akışını oluşturan veri içeriğini tanımlar. Başka alanlar da vardır: kontrol alanı, mesajın türüne ilişkin bilgileri içerir. Veri içeriği veri alanındadır. Sağlama toplamı, mesaj bitlerinin doğruluğunu doğrular. Resepsiyon onaylandı. Bunu, çerçeveler arasındaki ayrımı gösteren bitiş sınırlayıcı ve boş alan veya çerçeveler arası bitler takip eder.

Uzak çerçevenin amacı, uzak bir düğümden belirli bir tanımlayıcıya sahip bilgi talep etmektir. Uzak bir çerçeve, bir veri çerçevesi tarzında yapılandırılmıştır. İstenen mesajın tanımlayıcısı, tanımlayıcı alanında belirtilir. DLC alanında istenen mesajın veri uzunluğu belirtilir. Tahkim alanında, RTR biti çekiniktir.

İnsan güvenliğinin her zaman en büyük endişe kaynağı olduğu son derece kritik asansör işletimi alanında hatalara müsamaha gösterilemez. CAN veri yolu güvenilir veri iletimi için tasarlanmıştır ve bu gerçekleşebilir, protokol hata tespiti, sinyalizasyon ve kendi kendine teşhis ve amacı hatalı düğümlerin tüm ağı kirletmesini önlemek olan hata sınırlama önlemleri için tasarlanmıştır. .

CAN standartları, ağda ortam olarak optik fiberi dikkate almaz, ancak büyük bir başarı ile kullanılmıştır. Bu konfigürasyonda, tanım gereği, ışık baskın, karanlık ise çekiniktir. Optik sinyaller doğrudan ortama bağlandığından, iki hat sağlanmalıdır: biri iletim ve diğeri alım için. Ek olarak, bit izlemeye izin vermek için iki hattın harici olarak bağlanması gerekir.

Optik fiber, elektromotor kuvvet bağışıklığının olağan avantajlarına sahiptir ve yanıcı olmayan özellikleri, patlayıcı gazların veya yanıcı sıvıların veya tozların mevcut olabileceği alanlarda bir varlıktır. Bununla birlikte, Ulusal Elektrik Yasası'nın 770. Maddesi, bir optik fiber kurulumu için yetkiler içerir ve saha denetçilerinden yeşil ışık almak ve uzun vadeli güvenli bir kurulum sağlamak için uyumluluk esastır.

İster elektrik ister optik fiber olsun, CAN tahkimi bir kerede önceliğe dayalıdır ve öncelikli değildir. Bu, iletilen bir mesajın diğer bazı veri yolu protokollerinde olduğu gibi daha yüksek öncelikli bir mesaj tarafından geçersiz kılınamayacağı anlamına gelir. CAN veriyolunda kanallar, tüm düğümleri birbirine bağlayan “VE mantığı”na göre kablolanır. Tartışma ve aktarım aşamaları, medya erişimi elde etmek için dönüşümlü olarak gerçekleşir. Paylaşılan bir ortam kullanılmıyorsa, bir düğüm iletimi başlatabilir. İletilecek mesajları olan düğümler, tanımlayıcıyı tahkim yuvalarında iletecektir. AND mantığı çarpışmaları çözer ve hangi düğüm bitlerini değişmeden okursa kazanır ve diğer düğümler dinler ve bir açılış beklerken mesajının dengesini iletmeye devam eder.

Asansör işinde, elektrik ve veri iletimi ile ilgili güvenlik, endüstri profesyonelleri arasındaki tartışmalarda bir odak noktası olarak öne çıkıyor. Bu trendin öneminin farkında olarak, asansörler ve asansörler için standartlaştırılmış ağ olan CANopen Lift, hızla değişen bu alanda bilgi paylaşımı amacıyla dünya çapında bir asansör ve alt montaj üreticileri topluluğu oluşturmak için çalışıyor. Bu çeşitli alanda, bilgi ve uzmanlığın aktarımı yüksek öncelikli bir girişimdir ve bu hala gelişen arenada, katılımcılar arasındaki iletişim geçmişte olduğundan daha önemlidir.

Öğrenme-Takviye Soruları

♦ Otomotiv sektöründe CAN otobüsüne neden ihtiyaç duyuldu?
♦ Seri veri yolu nedir?
♦ CAN bus kurulumlarında neden sonlandırma dirençleri kullanılır?
♦ CAN veriyolunda çekinik ve baskın durumlar nasıl gösterilir?
♦ CAN bus kurulumunda optik fiberin avantajları nelerdir?