CAN Bus, Architettura, Funzionamento e Prospettive – Un’Analisi Approfondita dei Vantaggi e Svantaggi nella Comunicazione Seriale (PARTE 1)

Il protocollo di comunicazione seriale CAN bus, inizialmente utilizzato e progettato per la comunicazione dei dispositivi elettronici presenti nelle automobili, mentre oggi è impiegato in diverse applicazioni.

Per rendere la lettura più agevole, abbiamo diviso l’articolo in varie parti, poiché l’argomento richiede diversi livelli di approfondimento.

La prima parte sarà principalmente teorica, offrendo una panoramica dettagliata sulle dinamiche di funzionamento del protocollo per consentire ai lettori di acquisire una piena comprensione dell’argomento. Successivamente, proporremo un’applicazione pratica utilizzando dispositivi come Arduino Uno e ESP32, al fine di mostrare come il protocollo possa essere implementato in situazioni reali.

Introduzione

L’impiego di schede elettroniche nelle automobili è drasticamente aumentato negli ultimi anni, principalmente a causa delle crescenti esigenze in termini di sicurezza, comfort e prestazioni.

La risposta a questa evoluzione è rappresentata dall’integrazione di un maggior numero di dispositivi elettronici nei veicoli moderni.

Pertanto, si è sviluppata una crescente necessità di stabilire connessioni tra questi dispositivi elettronici, consentendo loro di comunicare in modo affidabile, sicuro e in tempo reale.

In passato, le schede elettroniche delle automobili erano interconnesse con centinaia di fili che percorrevano parti distinte dell’automobile.

La complessità delle interconnessioni rendeva difficile e molto complessa l’individuazione dei guasti.

Pertanto, la complessità delle interconnessioni era causa di una maggiore probabilità dei guasti.

I problemi sopraesposti, in aggiunta alla maggiore complessità delle automobili moderne, hanno spinto le aziende automobilistiche a cercare una soluzione per ridurre al minimo le connessioni tra tutte le parti elettroniche montate sul veicolo.

Gli stati mondiali hanno adottato delle nuove leggi per imporre alle aziende produttrici di automobili nuovi e più affidabili sistemi di sicurezza sui i veicoli, con un passaggio da misure fisiche a soluzioni elettroniche assistite.

Queste includono tecnologie come la frenata assistita, airbag e sistemi di assistenza alla guida. I veicoli attuali sono dotati di sensori che valutano l’ambiente circostante, integrandosi in reti intelligenti locali con attuatori e processori con elevate permformance.

Pertanto si è passati a reti ad alte prestazioni, che consentono l’interconnessione dei moduli elettronici.

Questo approccio, con un’unità centrale, rende l’auto “intelligente”, con sensori e attuatori per funzioni come l’accensione automatica dei fari al buio o il funzionamento automatico dei tergicristalli con la pioggia ecc..

I sistemi elettronici e sensori installati sui veicoli e connessi in rete tra di loro semplifica la rilevazione di moduli difettosi e il cablaggio.

L’interazione tra i moduli consente una valutazione centralizzata dello stato del veicolo, facilitando la diagnosi e la risposta a eventuali problemi.

CAN bus

Il Controller Area Network (CAN bus) è un sistema di comunicazione seriale sviluppato da Bosch negli anni ’80 per le automobili.

Utilizza una coppia di cavi intrecciati e offre comunicazioni affidabili fino a 1 Mbps su una lunghezza massima di 40 metri. La versione originale, CAN 2.0A, oggi è ampiamente utilizzata nei sistemi elettronici automobilistici.

Il bit stream del CAN è composto dai seguenti campi:

• Bit Start of Frame
• Header da 18 bit (con identificativo del messaggio, 11 bit)
• Campo dati da 0 a 8 byte
• Controllo di ridondanza (CRC) da 15 bit
• Campo per l’identificazione 3 bit
• Bit End of Frame da 7 bit

Il CAN bus usa il meccanismo CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution) per evitare collisioni durante le trasmissioni. Ogni nodo monitora il bus e, quando rileva che è inattivo, inizia a trasmettere. In caso di tentativi simultanei da parte di altri nodi, avviene un arbitrato e vince il nodo con la priorità più alta, determinata dall’identificatore messaggio più basso, che invia i propri dati.

Il CAN bus utilizza un meccanismo di rilevamento e recupero degli errori: i nodi riceventi verificano l’integrità dei messaggi attraverso i campi CRC. In caso di errore, i nodi comunicano agli altri sul bus mediante messaggi di segnalazione di errore.

Ecco alcuni dettagli aggiuntivi sul CAN bus:

• Velocità: Il CAN bus può operare a velocità fino a 1 Mbps.
• Lunghezza: La lunghezza massima del CAN bus è di 1000 metri.
• Protezione dagli errori: Il CAN bus utilizza un meccanismo di rilevamento e correzione degli errori per garantire la trasmissione affidabile dei dati.

Il CAN bus è una tecnologia chiave che migliora la sicurezza, efficienza e convenienza delle automobili. I dati provenienti da sensori vengono trasmessi al microcontrollore e poi al CAN bus attraverso un controller e un trasmettitore/ricevitore CAN. Questo sistema consente una comunicazione efficace tra sensori e microcontrollori, facilitando l’integrazione delle informazioni da diverse parti del veicolo.

Vantaggi del CAN bus

Il CAN bus offre una serie di vantaggi che lo rendono una scelta popolare per una varietà di applicazioni. Questi vantaggi includono:

• Bassa complessità del cablaggio: Il CAN bus utilizza solo due fili, il che lo rende facile da installare e gestire.
• Flessibilità: È possibile aggiungere o rimuovere facilmente nuovi nodi al CAN bus.
• Resilienza: Se un nodo si guasta, non influisce sugli altri nodi del sistema.
• Controllo centralizzato: Un nodo, solitamente l’unità di controllo del motore (ECU), coordina il traffico sul CAN bus.
• Accesso a tutti i messaggi: Tutti i nodi sul bus possono leggere gli stessi messaggi.
• Resistenza alle interferenze elettromagnetiche: Il CAN bus è progettato per resistere alle interferenze elettromagnetiche.
• Gestione efficace degli errori: Il CAN bus utilizza un meccanismo di rilevamento e correzione degli errori per garantire la trasmissione affidabile dei dati.
• Diagnosi e manutenzione semplificate: I nodi del CAN bus possono essere facilmente diagnosticati e mantenuti.

Svantaggi del CAN bus

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, il CAN bus presenta anche alcuni svantaggi. Questi includono:

• Velocità limitata: La velocità massima del CAN bus è di 1 Mbps. In alcune applicazioni, questa velocità può essere insufficiente.
• Costo elevato: L’implementazione del CAN bus può essere costosa, poiché richiede l’utilizzo di controller speciali.
• Failure  cavo principale: Se il cavo principale del CAN bus viene danneggiato, l’intero sistema si arresta.

Caratteristiche principali del CAN bus

Il  CAN bus è un sistema di comunicazione a due fili con un meccanismo di gestione della priorità. I nodi si scambiano messaggi contenenti un identificatore, dati e informazioni di controllo. L’arbitraggio favorisce il nodo con l’identificatore più basso in caso di conflitto di trasmissione.

Il  CAN bus  offre una comunicazione affidabile con vantaggi come semplicità di cablaggio, flessibilità e resistenza alle interferenze. Tuttavia, presenta limiti di velocità, costi più elevati e richiede schermatura del cavo principale.

CANopen

CANopen è un protocollo di comunicazione avanzato che si basa sul CAN bus.

Rispetto al CAN bus base, CANopen offre funzionalità aggiuntive che includono:

• Supporto fino a 128 nodi in una rete CAN
• Architettura multi-master
• Lunghezza del bus fino a 5 km
• Accesso di alto livello semplice a tutti i dispositivi
• Utilizzo di dispositivi di diversi produttori
• Sincronizzazione dei dispositivi
• Alta affidabilità

CANopen, pur riducendo la larghezza di banda sul CAN bus, compensa questo svantaggio con funzionalità extra.

In sintesi, il CAN bus è un sistema affidabile e versatile, mentre CANopen, come sua estensione, è particolarmente adatto all’industria automobilistica grazie alle funzionalità aggiuntive che offre.

Conclusioni

Il CAN bus è un sistema affidabile e versatile, mentre CANopen, come sua estensione, è particolarmente adatto all’industria automobilistica grazie alle funzionalità aggiuntive che offre.

In sintesi, il protocollo CAN bus ha rivoluzionato la comunicazione seriale nelle automobili, semplificando il cablaggio e migliorando l’affidabilità della connessione tra i vari componenti elettronici. La sua struttura a due fili e caratteristiche come il CSMA/CR e la gestione degli errori lo rendono una tecnologia chiave.

Il passaggio da cablaggi complessi a reti semplificate ha migliorato la sicurezza e l’efficienza nei veicoli moderni. Il CAN bus offre vantaggi come bassa complessità del cablaggio, flessibilità e gestione degli errori, ma presenta limiti di velocità e costi più elevati in alcune situazioni.

La menzione di CANopen come estensione avanzata evidenzia come le funzionalità extra possano compensare alcune limitazioni, rendendo il CAN bus adatto all’industria automobilistica. In conclusione, il CAN bus rimane una tecnologia fondamentale per la comunicazione seriale, contribuendo significativamente al progresso nell’elettronica automobilistica.