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Olga Weis
Ultimo aggiornamento Jul 16, 2024
I veicoli moderni si affidano fortemente ai sistemi elettronici per un funzionamento efficiente e sicuro. Al centro di questi sistemi c'è il Controller Area Network (CAN) bus system, una rete di comunicazione robusta ed efficiente. Questo articolo approfondisce i fondamenti dei sistemi CAN bus, il loro funzionamento e la loro importanza nell'industria automobilistica.
L'acronimo CAN sta per Controller Area Network. I CAN vengono utilizzati per stabilire la comunicazione tra microcontrollori in una rete o bus. I CAN sono paragonabili a Ethernet o LAN, che forniscono un metodo standard per la comunicazione computer-a-computer.
Un CAN offre un metodo semplificato per fornire controlli elettronici rispetto ai sistemi utilizzati precedentemente. L'implementazione di un CAN bus consente ai produttori di auto di ridurre significativamente la quantità di cablaggio in ciascun veicolo.
La linea principale chiamata "backbone" forma la base di un sistema CAN bus. Il backbone collega tutti i microcontrollori in un veicolo e fornisce informazioni a un controller primario centralizzato responsabile del monitoraggio di tutti i sistemi elettronici. Questa configurazione semplifica l'identificazione dei potenziali guasti e l'indagine e la risoluzione di un errore senza interrogare più sottosistemi posizionati in tutto il veicolo.
Un sistema CAN bus minimizza i possibili punti di guasto e consolida la comunicazione inviando dati su una singola linea. Elimina qualsiasi preoccupazione riguardo a più connessioni che falliscono causando problemi difficili da identificare. La ridondanza migliorata di un CAN bus migliora l'affidabilità consentendo al sistema principale di rimanere operativo anche se i sottosistemi falliscono. Questa ridondanza era impossibile da implementare con i controller discreti.
Una linea CAN bus è costruita utilizzando una coppia di fili intrecciati che hanno una resistenza terminale di 120 ohm su ciascuna estremità. Un filo è designato come CAN High e l'altro come CAN Low. Tutti i dispositivi collegati al bus sono noti come unità di controllo elettroniche (ECU) o nodi.
Le ECU possono svolgere una varietà di ruoli in un sistema CAN bus automobilistico. I nodi possono servire come unità di controllo per il motore, i fari, il climatizzatore, gli airbag e altri sistemi necessari per il funzionamento del veicolo. Le auto moderne possono avere fino a 70 ECU che devono trasmettere e condividere dati con altri nodi.
Ogni nodo è composto almeno da un controller CAN e un microcontrollore incorporato. I dati digitali vengono convertiti in messaggi sul bus dal controller CAN. Il controller CAN accetta informazioni, le traduce e le invia a un altro controller CAN.
Il microcontrollore incorporato elabora i dati ed esegue compiti come accendere una luce all'interno dell'auto o abbassare un finestrino. I microcontrollori possono controllare il flusso di informazioni al cruscotto in risposta a un messaggio generato dal controller CAN.
Questi due diagrammi illustrano come i nodi comunicano tra loro e scambiano dati con e senza il protocollo CAN e il sistema CAN bus.
Utilizzando il CAN bus, una singola ECU può trasmettere dati a tutte le altre ECU collegate al sistema. Quelle ECU possono esaminare le informazioni e scegliere se riceverle o ignorarle.
Un CAN bus consente la comunicazione utilizzando due fili: CAN low (CAN L) e CAN high (CAN H). Lo strato di collegamento dati del CAN bus è descritto dalla norma ISO 11898-1, mentre lo strato fisico è descritto dalla norma ISO 11898-2.
Lo strato fisico di un CAN bus è composto da cavi, impedenza dei cavi, livelli di segnale elettrico, requisiti dei nodi e altri elementi necessari per il funzionamento della rete.
La norma ISO 11898-2 descrive le specifiche per gli elementi dello strato fisico come la lunghezza del cavo, la terminazione del cavo e la velocità di trasmissione. Di seguito sono riportati alcuni esempi di queste specifiche.
🔹 Ciascuna estremità del CAN bus deve essere terminata con una resistenza CAN bus da 120 Ohm
🔹 I nodi CAN richiedono connessioni utilizzando due fili con velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s (CAN) o 5 Mbit/s (CAN FD)
🔹 La lunghezza del cavo per un CAN Bus può essere di 40 metri a 1 Mbit/s o 500 metri a 125 Kbit/s
Diversi tipi di reti possono essere implementati con un CAN bus.
🔹 Il CAN bus a bassa velocità è chiamato anche CAN tollerante ai guasti.
🔹 Ogni nodo ha una terminazione CAN
🔹 Il CAN bus a bassa velocità supporta velocità di trasmissione tra 40 e 125 Kbit/s
🔹 La comunicazione può continuare anche se c'è un guasto in uno dei fili
🔹 La chiamata semplice è una caratteristica del CAN bus ad alta velocità
🔹 Questo tipo di rete è quella più comunemente usata dai produttori di automobili di oggi
🔹 Sono supportate velocità di trasmissione tra 40 Kbit/s e 1 Mbit/s
🔹 Il CAN bus ad alta velocità forma la base dei protocolli di livello superiore come CANopen, j1939 e OBD2
🔹 Un LIN bus è un'alternativa a basso costo che impiega meno cablaggi
🔹 Nel LIN bus vengono utilizzati nodi meno costosi
🔹 La rete fornisce funzionalità per serrature delle porte e aria condizionata
🔹 La configurazione della rete è tipicamente composta da un master LIN bus che funge da gateway per un massimo di 16 nodi slave
🔹 I CAN FD sono impiegati in veicoli ad alte prestazioni
🔹 Il protocollo CAN FD è un'estensione del protocollo CAN originale ed è stato rilasciato da Bosch nel 2012 per rispondere alla necessità di aumentare le velocità di trasferimento dei dati
🔹 L'Automotive Ethernet supporta velocità di trasferimento dati più elevate rispetto a un CAN bus
🔹 Questa rete non ha le caratteristiche di sicurezza di CAN e CAN FD
🔹 L'industria automobilistica sta adottando questa rete e verrà implementata nelle auto e nei camion moderni
🔹 L'Automotive Ethernet supporta la larghezza di banda aumentata necessaria per implementare sistemi come telecamere di bordo, Sistemi di Assistenza alla Guida Avanzata (ADAS), un sistema di gestione della flotta e altre funzionalità che richiedono un trasferimento dati ad alta velocità
L'implementazione della tecnologia CAN bus consente ai produttori di automobili di adottare protocolli di diagnostica a bordo (On-Board Diagnostics). Questi protocolli offrono codici di problema standardizzati che i meccanici possono facilmente interpretare per risolvere i problemi. Le porte dati nel CAN bus vengono utilizzate per introdurre aggiornamenti software ai sistemi e ai computer di bordo.
Alcuni protocolli popolari utilizzati per fornire funzionalità automobilistiche avanzate includono:
🔹 OBD-II Diagnostica a bordo (OBD, ISO 15765) fornisce ai meccanici funzionalità diagnostiche e di reporting per risparmiare tempo nell'identificazione dei problemi del veicolo
🔹 J1939 è la rete standard per veicoli pesanti come camion e autobus
🔹 Il CAN FD estende lo strato di collegamento dati CAN originale e consente un payload aumentato da 8 a 64 byte. Può anche fornire velocità di bit più elevate in base al transceiver CAN impiegato
🔹 CANopen è implementato in applicazioni che presentano controlli integrati come le strutture di automazione industriale
Il protocollo CAN bus rimarrà importante nei prossimi anni. Tuttavia, le seguenti tendenze principali lo influenzeranno direttamente:
🔹 L'uso crescente di veicoli autonomi/auto a guida autonoma
🔹 Aumento della necessità di funzionalità veicolari più avanzate
🔹 Sviluppo di tecnologie cloud più avanzate, come i sistemi di gestione della flotta basati su cloud
🔹 Aumento dell'integrazione di Internet delle cose (IoT) e veicoli connessi
Vale anche la pena notare che il miglioramento della tecnologia veicolo-rete (V2N) e del cloud computing è previsto per causare una rapida crescita della telematica. Questa crescita include anche dispositivi IoT come i registratori CAN IoT.
