2002-03-14datenbussysteme im kraftfahrzeug1 im automobilbereich erfordert die entwicklung von...
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2002-03-14 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug 1
Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen Informationsaustausch zwischen den Steuergeräten.
Busverkehr im Kraftfahrzeug
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Konventionelle VerkabelungKonventionelle Verkabelung
Getriebe-Steuerung
Motronic
E-Gas ABS/ASR/ESP
Die konventionelle Verbindung der Steuergeräte erfordert für jede Dateninformation eine eigene Datenleitung.
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-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.
Konventionelle VerkabelungKonventionelle Verkabelung
Nachteile:
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Verbindung der Steuergeräte über DatenbusVerbindung der Steuergeräte über Datenbus
CANCAN CANCAN
E-Gas Motronic GS ABS
ASR/ESP
Eine Datenleitung überträgt codiert alle Signale der Steuergeräte.
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Verbindung der Steuergeräte über DatenbusVerbindung der Steuergeräte über Datenbus
Vorteile:
-Höhere Zuverlässigkeit-Einsparung einer Vielzahl von Leitungen und Steckverbindungen-Sensoren mehrfach nutzbar-Neue Funktionen möglich-Systemkonfiguration flexibler-Geringere Systemkosten
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Das Multiplex-Datenbussystem
Eine erste Busversion in Kraftfahrzeugen war der Kabelbaum-Multiplexer, den verschiedene Hersteller einsetzten.
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Das Multiplex-DatenbussystemHier 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.
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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.
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Das Multiplex-DatenbussystemEin Oszilloskopbild des Signals ist hier zu sehen (kein Schalter betätigt, also alle 8 Informationsdoppelbits high):
Startbits low (immer 2 Bitlängenhier je ca. 0,16 ms entspr. 6250 Bit/s)
Informationsbits für Schalter 1(beide high, also langes Signal)
Pause zwischen den Informationsbits (immer 2 Bitlängen)
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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 mitzählen“Das sind folglich insgesamt 2 + 8*4 Bitlängen pro Informationsblock. (hier 34 * ca. 0,16 ms, also etwa 5 ms).
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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.
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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
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
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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
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Der CAN Datenbus
Die Lösung ist der CAN – Datenbus! Controller
Area
Network
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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
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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:
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SIEMENS
Die Global Player:
Der CAN Datenbus
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Anwendungsbereiche:
- Kraftfahrzeugtechnik- Landmaschinentechnik- Medizintechnik- Werkzeugmaschinen (CNC, Robotik)- Gebäudeleittechnik- Textilmaschinen- Fern- und Nahverkehrstechnik- Aufzüge, Rolltreppen
Der CAN Datenbus
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0
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40
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140
1997 1998 1999 2000
CANKnotenpunkte
Der CAN Datenbus
Entwicklungstendenz der Can-Bus Technologie
(Bis Mitte 2000 hatte allein Philips 100 Millionen CAN-Transceiver hergestellt)
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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/s1000 m bei 20 kBit/s
Anzahl der Knoten pro System: 32 Knoten Standard
64 bis 128.... Spezielle LeitungstreiberÜbertragungsrate:
<5 kBit/s bis 1 MBit/s programmierbarDatenkapazität:
0 bis 8 Bytes/Botschaft
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Der CAN Datenbus
Topologie Teil 2:
Botschaftsformate:Standardformat (11 Bit Identifier) odererweitertes Format (29 Bit Identifier)
Botschaftslänge:Maximal130 Bits (Standardformat) oder150 Bits (erweitertes Format)
Maximale System-Erholzeitnach Störungen:Typisch 17 bis 23 Bit-Zeiten(in Sonderfällen bis zu 29 Bit-Zeiten)
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Der CAN Datenbus
Spezifikation nach SAE (Society of Automotive Engineers) :
Klasse A Anwendungen:Kommunikation im Chassis- Elektronik Bereichweniger intelligente Knoten (Schalter, Schließer, Sitz-, Spiegelverstellung
und Leuchten) -> Botschaften sind sehr kurz, Bitrate < 10 kBit/sKlasse B Anwendungen:
höherwertige Informationen als bei Klasse A (Amaturenbrett, Klimaregelung) -> Bitrate 40 kBit/s
Klasse C Anwendungen:Echtzeitkritischer 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
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Der CAN DatenbusBeispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz W203):
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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
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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.
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Der CAN Datenbus
Datenprotokoll:Originalaufnahme vom Auswertprogramm des CAN-Schulungsstandes (oben CAN-high unten CAN-low)
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Der CAN Datenbus
Oszilloskopbild Low-Speed CAN-Bus:
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Der CAN Datenbus
Bitauszählung:
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Der CAN Datenbus
Oszilloskopbild High-Speed CAN-Bus VW Lupo TDI (3l):
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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.
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Der CAN Datenbus
Zur Arbitrierung:In der CAN-low Leitung ist das niedrigere Bit dominant, d. h. Station S3 hat gewonnen und darf weitersenden.
Arbitrationsfeld Daten
Station S1
Station S2
Station S3
Bus- Leitung
Stop Senden
Synchronisation
SOF
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Der CAN Datenbus
Die einzelnen Bitblöcke:
Anforderungsbit: (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.
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Der CAN Datenbus
Die einzelnen Bitblöcke:
Datenfeld: (Data)
Je 8 Bit (max. 8 Blöcke=Bytes basic / max. 256 Blöcke=Bytes 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.
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Der CAN Datenbus
Die einzelnen Bitblöcke:
Bestätigungsfeld: (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.
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Der CAN Datenbus
Die einzelnen Bitblöcke:
Bitstuffing:
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).
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Das Multiplex-Datenbussystem
Übungsphase:
-Computer – Auswertprogramm
-Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop
-Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke
Anregungen, Kritik, CD, Ausklang
Übungsphase:
-Computer – Auswertprogramm
-Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop
-Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke
Anregungen, Kritik, CD, Ausklang