PowerPoint-Pr

1
Busverkehr im Kraftfahrzeug
Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von
Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen
einen regen Informationsaustausch zwischen den
Steuergeräten.
2
Konventionelle Verkabelung
Die konventionelle Verbindung der Steuergeräte
erfordert für jede Dateninformation eine eigene
Datenleitung.
Getriebe-Steuerung
Motronic
E-Gas
ABS/ASR/ESP
3
Konventionelle Verkabelung
Nachteile

• Immer mehr Leitungen mit entsprechend vielen
  Steuergerätepins und Steckverbindungen sind
  erforderlich.
• System- und Funktionserweiterungen sind sehr
  aufwändig.
• Die Fehlerquote ist vergleichsweise hoch.
• Eine Zentraldiagnose aller Steuergeräte und
  Komponenten ist schwierig.

4
Verbindung der Steuergeräte über Datenbus
Eine Datenleitung überträgt codiert alle Signale
der Steuergeräte.
ABS ASR/ESP
E-Gas
Motronic
GS
CAN
CAN
CAN
CAN
5
Verbindung der Steuergeräte über Datenbus
Vorteile

• Höhere Zuverlässigkeit
• Einsparung einer Vielzahl von Leitungen und
  Steckverbindungen
• Sensoren mehrfach nutzbar
• Neue Funktionen möglich
• Systemkonfiguration flexibler
• Geringere Systemkosten

6
Das Multiplex-Datenbussystem
Eine erste Busversion in Kraftfahrzeugen war der
Kabelbaum-Multiplexer, den verschiedene
Hersteller einsetzten.
7
Das Multiplex-Datenbussystem
Hier werden von einem Sender (Multiplexer) Daten
(Schalterstellungen) seriell über eine Leitung zu
einem Empfänger (Demultiplexer) übertragen und
dort die Ausgänge (z. B. für Relaisansteuerungen)
entsprechend geschaltet.
8
Das Multiplex-Datenbussystem
Die serielle Übertragung der Daten kann man sich
wie Morsen (oder Rauchzeichen) vorstellen
Kurze und lange Signale werden über die
Datenleitung geschickt. Dabei stellt jedes Signal
eine Schalterstellung dar.Lang bedeutet dabei z.
B. Schalter aus, kurz bedeutet Schalter an.
9
Das Multiplex-Datenbussystem
Ein Oszilloskopbild des Signals ist hier zu sehen
(kein Schalter betätigt, also alle 8
Informationsdoppelbits high)
Informationsbits für Schalter 1(beide high, also
langes Signal)
Pause zwischen den Informationsbits (immer 2
Bitlängen)
Startbits low (immer 2 Bitlängenhier je ca.
0,16 ms entspr. 6250 Bit/s)
10
Das Multiplex-Datenbussystem
Hier sind Schalter 4 und 7 betätigt, daher ist
dort jeweils das erste Bit high, das zweite low,
so dass ein kurzes Signal entsteht
Informationsbits für Schalter 4 und 7(jeweils
high low, also kurzes Signal)
Obwohl als reine Informationslänge 8 Bits
ausreichen würden, werden zu besseren
Synchronisation nach dem Startdoppelbit pro
Informationseinheit (Schalter) 2 Bits 2
Pausebits 4 Bits übertragen.Der Demultiplexer
kann dann gewissermaßen besser mitzählenDas
sind folglich insgesamt 2 84 Bitlängen pro
Informationsblock. (hier 34 ca. 0,16 ms, also
etwa 5 ms).
11
Das Multiplex-Datenbussystem
Zwischen jedem Informationsblock sind bei diesem
System etwa 9 ms Pause, so dass die
Schaltsignale ca. alle 14 ms übertragen werden.
Informationsblöcke
Pause
Pause
Auch dies dient der besseren Synchronisation.
Die Minus-Flanke des Startbits wird eindeutig
einem neuen Informationsblock zugeordnet, das
Zählen der Plus-Flanken für die kurzen und langen
Informationsbits kann beginnen.
12
Das Multiplex-Datenbussystem

• Übungsphase
• Computer Demoprogramm
• Schulungstand mit Leybold-Interface und
  Fluke-Oszilloskop
• Schaltung mit 8 Bit Baustein und 16 Bit BMW
  Fensterheberschalter
• Signale Datenleitung und Ausgang (Leybold)
• Kaffeepause

13
Das Multiplex-Datenbussystem

• Nachteile
• Datenübertragung nur in eine Richtung möglich
• Keine weiteren Steuergeräte anschließbar
• Datenmenge auf einige Bits begrenzt
• Nur für binäre Signale sinnvoll
• Übertragungsrate langsam

14
Der CAN Datenbus
Die Lösung ist der CAN Datenbus! Controller
Area Network
15
Der CAN Datenbus

• Vorteile
• Datenaustausch in alle Richtungen zwischen
  mehreren Steuergeräten
• Schon beim Standard-CAN 64 Datenbits pro
  Datenpaket möglich
• Für Erweiterungen oft nur Software Änderungen
  erforderlich
• Durch viele Absicherungen im Datenprotokoll
  geringe Fehlerquote
• Mehrfachnutzung von Sensorsignalen möglich
• Sehr schnelle Datenübertragung
• Weltweite Normung, daher Datenaustausch auch
  zwischen Steuergeräten verschiedener Hersteller
  möglich

16
Der CAN Datenbus
Historie Die Grundzüge des CAN-Datenprotokolls
wurden 1981 von den Firmen Bosch und Intel
definiert. 1983 erfolgte die erste Normung zur
ISO 11898 1987 standen die ersten
Transceiver-Bausteine zur Verfügung 1992 wurde
der CAN Verein gegründet dem u. a. folgende
Firmen angehören
17
Der CAN Datenbus
Die Global Player
SIEMENS
18
Der CAN Datenbus
Anwendungsbereiche - Kraftfahrzeugtechnik -
Landmaschinentechnik - Medizintechnik -
Werkzeugmaschinen (CNC, Robotik) -
Gebäudeleittechnik - Textilmaschinen - Fern- und
Nahverkehrstechnik - Aufzüge, Rolltreppen
19
Der CAN Datenbus Entwicklungstendenz der
Can-Bus Technologie
(Bis Mitte 2000 hatte allein Philips 100
Millionen CAN-Transceiver hergestellt)
20
Der CAN Datenbus
Topologie Teil 1 Buskonfiguration Nur eine
logische Busleitung, aber in der Praxis
verdrillte Zweidrahtleitung. Geometrische
Ausdehnung Maximal 40 m bei 1 MBit/s 1000 m
bei 20 kBit/s Anzahl der Knoten pro System
32 Knoten Standard 64 bis 128.... Spezielle
Leitungstreiber Übertragungsrate lt5 kBit/s bis
1 MBit/s programmierbar Datenkapazität 0 bis 8
Bytes/Botschaft
21
Der CAN Datenbus
Topologie Teil 2 Botschaftsformate Standardfor
mat (11 Bit Identifier) oder erweitertes Format
(29 Bit Identifier) BotschaftslängeMaximal 130
Bits (Standardformat) oder 150 Bits (erweitertes
Format) Maximale System-Erholzeit nach
StörungenTypisch 17 bis 23 Bit-Zeiten (in
Sonderfällen bis zu 29 Bit-Zeiten)
22
Der CAN Datenbus
Spezifikation nach SAE (Society of Automotive
Engineers) Klasse A Anwendungen Kommunikation
im Chassis- Elektronik Bereich weniger
intelligente Knoten (Schalter, Schließer, Sitz-,
Spiegelverstellung und Leuchten) -gt Botschaften
sind sehr kurz, Bitrate lt 10 kBit/s Klasse B
Anwendungen höherwertige Informationen als bei
Klasse A (Amaturenbrett, Klimaregelung) -gt
Bitrate 40 kBit/s Klasse C Anwendungen Echtzeitk
ritischer Informationstransfer, Zykluszeit 1-10
ms (Motor- und Getriebesteuerung,
Stabilitätskontrolle usw.) Bitrate 250-1000
kBit/s Klasse D Anwendungen recht lange
Datenblöcke einige 100 Byte bis einige kByte (
Radio- und CD-Player, Telefon, Navigationshilfen,
usw.) Bitrate 1-10 MByte/s
23
Der CAN Datenbus
Beispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz
W203)
24
Der CAN Datenbus
Spezifikation nach ISO (Intern. Standardisation
Organisation) Low-Speed- Kommunikationsbereich
Bitrate unterhalb 125 kBit/s High-Speed-
Kommunikationsbereich Bitrate oberhalb von
125 kBit/s
25
Der CAN Datenbus Busaufbau Jede Station
(Netzwerkknoten/Steuergerät) verfügt über einen
sogenannten Transceiver Transmitter Receiver
(Sender und gleichzeitig Empfänger). Verbunden
sind sie über verdrillte (Twisted Pair) Kabel mit
Abschlusswiderständen an den Busenden.
26
Der CAN Datenbus DatenprotokollOriginalaufnahme
vom Auswertprogramm des CAN-Schulungsstandes
(oben CAN-high unten CAN-low)
27
Der CAN Datenbus Oszilloskopbild Low-Speed
CAN-Bus
28
Der CAN Datenbus Bitauszählung
29
Der CAN Datenbus Oszilloskopbild High-Speed
CAN-Bus VW Lupo TDI (3l)
30
Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke Startbit
(Start of Frame - SOF) 1 Bit Wie beim
Multiplexer geht nach einer Pause in der CAN-low
Leitung der Signalpegel auf Null das Senden
eines Datenblockes beginnt. Statusfeld
(Identifier) 11 Bit bei Standard (Basic) 29 Bit
beim erweiterten (extended) CAN Hier wird die
Wichtigkeit des Signals festgelegt, es findet die
sogenannte Arbitrierung statt, d.h. das
Festlegen, welches der Steuergerätesignale
Vorrang beim Senden hat, wenn mehrere
Steuergeräte Startbits gesendet haben.
31
Der CAN Datenbus Zur ArbitrierungIn der CAN-low
Leitung ist das niedrigere Bit dominant, d. h.
Station S3 hat gewonnen und darf weitersenden.
Stop Senden
Station S1
Station S2
Station S3
Bus- Leitung
Daten
Arbitrationsfeld
SOF
32
Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke Anforder
ungsbit (Remote Transmission Request - RTR) 1
Bit Gehört noch zum Arbitrierungsfeld, aber nicht
mehr zum Identifier. Es hat die Aufgabe,
Informationen von anderen Steuergeräten
anzufordern, wenn es nicht gesetzt
ist. Kontrollfeld (Data Length Control DLC) 6
Bit Die ersten beiden Bits sind (angeblich)
reserviert für extended CAN, nur die letzten 4
Bit beinhalten die Längeninformation, d. h. die
Zahl der folgenden 8-Bit Datensegmente.
33
Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke Datenfel
d (Data) Je 8 Bit (max. 8 BlöckeBytes basic /
max. 256 BlöckeBytes full) Hier kommen die
eigentlichen Daten in Segmenten zu je 8 Bit (1
Byte) die Informationen über Schalterstellungen,
Sensorsignale usw. Sicherungsfeld (Check
Receive Control -CRC) 16 Bit Aus den gesendeten
Datenblöcken wird eine Prüfsumme gebildet und
gleichfalls gesendet, damit ein Empfänger sie mit
der Prüfsumme der tatsächlich empfangenen Daten
vergleichen und eventuelle Übertragungsfehler
erkennen kann.
34
Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke Bestätig
ungsfeld (Acknowledge Field - ACK) 2 Bit Hier
bestätigt der Empfänger dem Sender den korrekten
Empfang der Daten, gewissermaßen ein
Quittungsfeld. Endefeld (End of Frame - ) 7
Bit Die Länge kann variieren, da hier weitere
Fehlerprotokolle ausgetauscht werden
können.Verschiedene Mechanismen können auch
mitten in der Übertragung der Daten
Übertragungsfehler signalisieren.
35
Der CAN Datenbus Die einzelnen Bitblöcke Bitstuff
ing Je 1 Bit Damit sich der Empfänger nicht
verzählt (waren das jetzt 5 oder 6 Bits?) wird
nach 5 gleichen Bits grundsätzlich ein
gegenpoliges Bit eingestreut, damit der
Empfänger wieder eine Flanke zum Zählen
bekommt.Der Empfänger filtert diese Bits wieder
heraus (Nach dem Motto Kommen 5 gleiche Bits
hintereinander, ignoriere ich grundsätzlich das
folgende Bit).
36
Das Multiplex-Datenbussystem

• Übungsphase
• Computer Auswertprogramm
• Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop
• Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke
• Anregungen, Kritik, CD, Ausklang