HABERLEŞME PROTOKOLLERİ

CAN (Controller Area Network)

Bu bölümde CAN haberleşme protokolü üzerinde detaylı bilgi verilecek, veri yolu topolojisi açıklanacak ve haberleşme de kullanılan CAN çerçeve yapıları anlatılacaktır.En son bölümde ise CAN hata denetiminden bahsedilecektir.

CAN Haberleşme Protokolünün Tanımı
Kelime anlamı olarak Controller Area Network kelimelerinin kısaltılması anlamına gelir.
Aşağıda CAN haberleşme protokolünün genel özelliklerinden bahsedilmiştir.
– 2 kablo üzerinden seri haberleşme metodu kullanılır.
– 1980’lerin ortasında Robert Bosch tarafından otomotiv endüstrisi için geliştirilmiştir.
– Gerçek zamanlı uygulamalarda ağ elemanları arasında yüksek kapasiteli veri alış verişi sağlamak ve bunu yaparken mümkün olduğunca ekonomik çözümler sunmak CAN haberleşme protokolünün ana hedefidir.
– CAN haberleşme protokolü tüm dünyada standartlarla belirlenmiştir. Bu standartlara örnek olarak
– CAN 2.0A: ISO 11519 – düşük hızlı
– CAN 2.0B: ISO 11898 – yüksek hızlı
– CAN onaylama: ISO 16845
– CAN haberleşme protokolünün kullanımı 200 milyon düğüme ulaşmıştır ve her geçen yıl bu pazar %30 büyümektedir. CAN sadece otomotiv sanayinde kullanılmakla kalmayıp birçok endüstri alanında kullanılmaktadır. Bunlardan en önemli iki tanesi otomotiv ve endüstriyel makinelerdir. İki kablo üzerinden kontrolcülerin birbirleriyle iki yönlü olarak haberleşmeleri için kurulan network ağı “The Controller Area Network (CAN)” olarak isimlendirilir. CAN haberleşme protokolü 1980’li yılların ortalarında Robert BOSCH tarafından noktadan noktaya haberleşmenin yerini almak için geliştirilmiştir.

Gerçek zamanlı uygulamalarda yüksek kapasiteli ve doğrulukta veri transferi CAN haberleşme protokolünün genel karakteristiğini oluşturur. Ayrıca gürültülü ortamlarda yüksek doğrulukta güvenilir veri transferi sağlar. CAN haberleşme protokolünün özellikleri dünya standartlarında iki versiyon olarak kullanılmaktadır. Birinci versiyon, CAN 2.0A düşük hızlı versiyonudur ve temel CAN ya da standart CAN olarak isimlendirilir. Bu standart ISO’nun ISO11519 standartında belirtilmiştir. Diğer versiyon olarak CAN 2.0B ise yüksek hızlı versiyondur ve bu versiyon tam CAN ya da genişletilmiş CAN olarak da isimlendirilir. Bu standart da ISO11898’de tanımlanmıştır. ISO16845 ise CAN haberleşme protokolünün içermesi gereken bilgilerin tanımlı olduğu standardıdır. CANBUS otomotiv sektörü haricinde birçok alanda kullanılmakta olup kullanım miktarı her geçen yıla oranla %30 artmaktadır. 2001 yılına kadar 200 milyon CAN düğümü kullanılmıştır.

CAN Haberleşme Protokolünün Avantajları, Tarihçesi ve Uygulama Alanları

Bu bölümde CAN haberleşme protokolünün gelişim süreçlerine değinilecek, neden bu protokolün kullanılması gerektiği üzerinde durulacak ve bugün birçok endüstride kullanılan bu protokolün kullanım alanları anlatılacaktır.

CAN Haberleşme Protokolünü Kullanmak İçin Ana Sebepler

– Güvenilir: Hatasız haberleşme sağlaması

– Ekonomik: Kablo masraflarını azaltması, Düşük donanım maliyeti sağlaması

– Ölçeklendirilebilirlik: Kolay genişletilebilirlik, Düğümlerin birbirine bağlama maliyetini düşürmesi

– Uygulanabilirlik:Çoğu kontrolcünün CAN portuna sahip olması, Birçok yazılım aracı tarafından desteklenmesi, Yüksek seviyeli protokol

–Bilinirlik: Geliştirme ortamı için geniş kaynak imkanı

CAN Haberleşme Protokolünün Tarihçesi

Açılımı “Controller Area Network Bus” olan yani “Kontrol Alan Ağı Veri yolu” dur.1980’lerde Robert Bosch tarafından otomotivde kablo yumağı yerine bir kablodan yazılım kontrollü veri transferini sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Böylelikle kablolama maliyetleri düşmüş otomobiller daha ucuza imal edilmeye başlamıştır. CAN, otomotiv endüstrisindeki en bilinen haberleşme sistemidir. Her ne kadar başlangıçta yalnızca otomotiv uygulamaları için tasarlanmış olsa da yüksek performansı güvenirliliğinden dolayı birçok dağıtık (distrubuted) endüstriyel kontrol uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. 90’larda CAN’in gelişimi sonucunda CiA denen (CAN in Automation) kuruldu. Bu bağımsız grup CAN özelliklerini belirlemekte ve gerçekleştirmektedir. Daha sonra DeviceNET geliştirildi. DeviceNet endüstriyel cihazlarını (sensörs, aktuatör) yük seviye cihazlarına (kontrolör) bağlamaya yarayan düşük seviye networktür. DeviceNet özellikle düşük maliyet üzerine yoğunlaşmıştır. 95’de CAN2.0B geliştirilerekten bir CAN sistemine bağlı ünite sayısı teorik olarak 500 milyona çıkarılmıştır. 1996’da CANopen geliştirilmiştir. Böylece uygulamada kullanılabilirliği daha da artmıştır.

CAN Haberleşme Protokolünün Uygulama Alanları

– Bütün elektronikle kontrol edilen cihazlar ve paketleme makinelerinde

– Endüstriyel dondurucular ve yazıcılarda

– Gemiler, trenler ve raylı sistemlerde

– Tarım ve inşaat makinelerinde

– Yarıiletken üretici cihazlarında

– Bina otomasyonunda, HVAC sistemleri, kat asansörleri

– Hastanelerdeki hasta takip kontrolünde

Daha birçok alanda CAN haberleşme protokolü kullanılır. Yukarıdaki liste CAN haberleşme protokolünün ana olarak kullanıldığı otomotiv endüstrisi dışındaki kullanım alanlarını göstermektedir.

CAN Haberleşme Protokolünün Ana Özellikleri

(1) Çoklu Master: Çoklu master özelliği veri yolu boş iken bütün düğümler veri gönderebilirler anlamına gelir. Veri yoluna ilk veri gönderenin verisi kesin olarak gönderileceği garanti edilmiştir. Eğer iki düğüm aynı anda mesaj göndermeye, çalışırlarsa, mesaj ID’si yüksek olan mesajın iletileceği protokolde garanti edilmiştir.

(2) Mesaj Transmisyonu: CAN haberleşme protokolünde mesajlar daha önceden karar verilmiş bir formatta gönderilirler. Eğer veri yolu boş ise veri yoluna tüm üniteler mesaj gönderebilirler. Eğer tüm üniteler aynı anda mesaj göndermeye çalışırlarsa, öncelik sırası bir belirleyici (ID) tarafından çözümlenir. Bu ID mesajın hangi düğüme gideceği konusunda herhangi bir bilgi içermez. Bu ID sadece mesajların hangi sıraya göre veri yolunda gönderileceğini belirler. Eğer iki veya daha fazla düğüm mesaj göndermeye karar verirse, buradaki mesaj ID’lerin bit bit karşılaştırılması sonucu karar verilir. Hangi düğüm bu karşılaştırma sonucunu kazanırsa onun mesajı gönderilir ve kaybedenler hemen dinleme konumuna geçerler.

(3) Sistem Esnekliği: Veri yoluna bağlı düğümler herhangi bir adres gibi belirtici ID ye sahip değillerdir. Bu sebepten dolayı, veri yoluna bir düğüm eklenip çıkarılması durumunda herhangi bir yazılım değişimine gerek yoktur. Bunun yanında diğer düğümlerin donanımlarında, uygulama alanlarında herhangi bir değişiklik yapmayı ortadan kaldırır. Bu da tasarlanan sistemin kolaylıkla genişletilmesini sağlar.

(4) Haberleşme Hızı: Network büyüklüğüne ve mesafelere göre haberleşme hızı ayarlanabilir. Aynı networkde bulunan tüm düğümler aynı haberleşme hızına sahip olmalıdırlar. Eğer herhangi bir düğüm farklı bir haberleşme hızı kullanırsa, haberleşmeyi engellemek için bir hata mesajı üretilir. Bu hata mesajı diğer networklerde bulunan düğümlere iletilmez.

(5) Uzaktan Veri İsteği: Diğer düğümlerden bir veri alma isteği gelebilir. İlgili düğüm istekte bulunan düğüme istediği bilgiyi gönderir.

(6) Hata Belirleme, Hata Bildirme, Hatayı Düzeltme Fonksiyonları: Ağ yapısına bağlı tüm düğümler hata belirleme özelliğine sahiptir (Hata Belirleme). Hatayı belirleyen herhangi bir düğüm bunu diğer düğümlere bildirebilir (Hata Bildirme). Eğer bir düğüm mesaj gönderirken bir hata belirlerse, mesaj transmisyonunu durdurmaya zorlayabilir ya da diğer düğümleri haberdar edebilir. Gönderdiği mesajı mesaj normal gönderilinceye kadar gönderebilir (Hata Düzeltme).

(7) Hatayı Hapsetme: CAN veri yolunda iki çeşit hata oluşabilir. Birincisi etrafta oluşan gürültüden veya başka sebeplerden oluşan düzensiz hatalar. İkincisi sürücü hatalarından, donanımın zarar görmesinden ya da buna benzer sebeplerden oluşan devamlı hatalar. CAN protokolü bu iki hata türünü birbirinden ayırt edebilen fonksiyona sahiptir. Bu fonksiyon hatalı düğümden gelen mesajlara düşük öncelik verir, düğümden devamlı bir hata üretiliyorsa bu üniteyi veri yolundan ayırt ederek düğümden gelen hata mesajlarını dikkate almaz.

(8) Bağlantı: CAN network yapısı birden fazla ünitenin aynı anda ağ yapısına bağlanmasına izin verir. Burada bağlanabilen ünite açısından mantıksal bir sınır yoktur. Fakat gerçekte ağ yapısına bağlanabilen ünite sayısı gecikme zamanlarına ve o anda ağ yapısında oluşan elektriksel yüke bağlı olarak değişebilir. Haberleşme hızı azaltılarak daha fazla ünite ağ yapısına bağlanabilirler. Bunun aksine, haberleşme hızı arttırılırsa ağ yapısına bağlanabilen ünite sayısı azalır.

Diğer Veri Yolu Sistemleri ve CAN Haberleşme Protokolü

CAN haberleşme protokolü haricinde kullanılan en yaygın protokol UART protokolleridir. Bunlardan en çok bilinenleri RS232 ve RS485’tir. Bunlar CAN protokolü ile karşılaştırıldığında bazı avantaj ve dezavantajlar içermektedir. Hemen her mikro kontrolcü UART protokolünü destekleyen bir donanıma sahiptir. Bu haberleşme noktadan noktaya haberleşmede kullanılır. Ekonomik olarak düşük maliyetli olduğu için birçok yerde kullanılır. Aşağıda bu sistemin iki olumsuz yönünden bahsedilecektir.

-UART sadece byte temelli haberleşme olanağı sağlar. Tek seferde birden fazla byte gönderme imkanı yoktur.

– UART’ın donanım yapısı hata denetimine sahip değildir. Burada hata denetimi için yazılım kullanılır bu da daha yavaş bir sistem anlamına gelmektedir. 1970’lerin sonlarında otomotiv endüstrisi bazı sorunlarla karşı karşıya kaldı. Noktadan noktaya haberleşme olduğu için kablolama maliyetleri, fazla kablo kullanıldığında araçların daha ağırlaşması ve daha fazla hacim gerekmesi yeni bir haberleşme protokolü ihtiyacını doğurdu. Burada araç üreticileri düşük maliyetli birden çok işlevi yapan kontrolcülerin bağlanabileceği bir seri veri yolu sistemi hakkından araştırmaya başladılar. Buna en uygun veri yolu sistemi olan CAN birçok ünlü otomobil üreticisi tarafından kullanılmaya başlandı.

Aşağıda CAN haberleşme protokolünün diğer haberleşme protokolleri ile karşılaştırıldığında öne çıkan özellikleri verilmiştir.

– CAN mesaj tabanlı haberleşme protokolüdür ve bir mesaj uzunluğu 8 byte’a kadar olabilmektedir.

– CAN donanımı hata denetleme özelliğine sahip olduğundan yazılım yükü azaltılmış olur.

– Bugün endüstride kullanılan birçok mikro kontrolcü bu protokolü desteklemektedir.

– CAN hem lokal hem de ayrışık sistem mimarilerinde kullanılabilir.

– 1 km’ye kadar veri taşımak mümkündür.