Controller Area Network

Präsentation zum Thema: "Controller Area Network"—  Präsentation transkript:

1 Controller Area Network
der ´Auto - Bus´

2 CAN - der "Auto- Bus" CAN wurde von BOSCH und Intel entwickelt zur Vernetzung von Sensoren, Aktuatoren und Steuergeräten im Automobil. Die europäisch orientierte Nutzerorganisation ist `CAN in Automation` (CiA). CiA hat die Anwenderschicht CAL = CAN Application Layer definiert ==> offener Industriestandard. Die Einsatzfelder sind vorwiegend in der Automobilindustrie mit den Anforderungen Störfestigkeit, kurze Verzögerungszeiten und prioritätsgesteuerter Datenverkehr zu suchen. immer höhere Automatisierung weniger Verbrauch bessere Leistung Verfügbarkeit von preiswerten Chips in hoher Stückzahl garantiert. Mehrere Übertragungsprotokolle verfügbar

3 Einordnung von CAN im ISO / OSI Modell
Layer 7 Application Layer Bitrate Buslänge 1MBit < 40 m 500 kBit < 100 m 100 kBit <500 m 50 kBit <1000 m ISO 11898, CSMA/ CA Layer 2 9 pol D-SUB Stecker, verdrillte 2 Drahtleitung Layer 1

4 Topologie von CAN Master 1 Prio 1 Slave 1 Master 3 Prio 3 Master 2

5 CAN - der "Auto- Bus" intern
Zwei Versionen sind erhältlich: Version A 2.0B Identifierlänge 11Bit 29 Bit ==> unterschiedlicher Adressraum und Priorisierungsstufe Multimaster CSMA/CA Buszugriffstechnik, d.h. im Konfliktfall, wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig zugreifen, hat die höchstpriore Nachricht Vorrang. Übertragungsgeschwindigkeiten: 10 kbit/s MBit/s ( 40 m ). Ausdehnung ist abhängig von Mono-/Multi Masterbetrieb. Hohe Datensicherheit durch Hamming Distanz = 6. Bitweise Buszugriffsarbitrierung im Identifierfeld.

6 Topologie von CAN intern
Das Bussystem ist als Topologie ausgeführt mit Master und Slavebeteiligung. Verdrillte 2-Drahtleitung mit Abschlußwiderstand an den Segmentenden gemäß modifizierter RS 485 Physik nach ISO DIS Das Netz kann mittels Repeater verlängert werden. Maximal 64 Knoten sind pro Segment möglich. Der Datenverkehr zwischen Master und Slave erfolgt mittels Polling oder ereignisgesteuert. Die Nachrichten werden mit unterschiedlicher Priorität als Broadcasing übertragen. Jeder Master kann zu jedem Zeitpunkt auf den Bus zugreifen. Kollisionen werden durch das CSMA/CA Verfahren vermieden (bitweise Arbitrierung des Identifiers)

7 Buszugriff CSMA / CD NRZ Signale Rezessiv Station 1 Dominant
Dominant Start Identifierfield Rezessiv Station 2 Dominant Station 2 stoppt den Sendevorgang

8 CAN - der "Auto- Bus" "Full CAN Version" mit internem Chipspeicher für große Sende-und Empfangsbotschaften. "Basic CAN " Registerbasiertes Sende- und Empfangsregister. Bei "SLIO =Serial link I/O" sind Empfangs-und Send boxes direkt mit I/O´s verbunden.

9 Telegrammformat Telegrammformat
1 11 / >=3 End of Frame ACK Delimiter ACK Slot CRC Check CRC Sequence Data Control RTR Bit Identifier Start of Frame

10 CAN der Auto-Bus intern
Startbit kennzeichnet den Telegrammanfang und dient der Phasensynchronisation. Der Identifier enthält den Namen und die Prio der Botschaft. Identifier enthält Name und Prio und die Botschaft der Objekte Das RTR Remote Transmission Bit kennzeichnet das Telegramm als Datentelegramm (low) oder als Anforderungstelegramm (high). Im Controlfeld dienen die 4 niederwertigsten Bits der Längenangabe.

11 CAN Bus: Technische Daten intern
Data besteht aus Bytes CRC Code + CRC Delimiter zeigt die Richtigkeit oder Fehlercode der vorangegangenen Bits an. Im ACK Slot und ACK Delimiter ist die Quittung für eine korrekt empfangene Sendung. End of Frame zeigt das Ende des Datentelegramms an. Datenübertragungsraten von 10 kBit/s bis 1 MBit/s Buslänge bei 1 MBit/s auf 40 m im Multi Masterbetrieb begrenzt aufgrund der bitweisen Arbitrierung. wird Single Masterbetrieb genutzt ist die Ausdehnung nur von den physikalischen Bustreibern abhängig Übertragungsverfahren ist CSMA/CA

12 CAN Data Link Layer Buszugriff bei Multi Master Betrieb Meldungsrahmen
Datenkollision muß vermieden oder gelöst werden Problemlösung: Kollisionsvermeidung durch CSMA /CA Station mit höchster Identifiernummer erhält die Sendeberechtigung Dominant ist log=0, rezessiv ist log= 1 Meldungsrahmen 4 Nachrichtentypen verfügbar: Data Frame für Datenübertragung von Bytes Remote Frame zur Sendeaufforderung eines anderen Busteilnehmers Error Frame zum Melden von Übertragungsfehler Overload Frame zum Anzeigen eines Teilnehmers, daß er keine Daten aufnehmen kann. Evtl Anhalten eines Teilnehmers.

13 CAN Datenübertragung intern
Bitstuffing für genügend Pegelwechsel zur Resynchronisierung. Nach 5 gleichen Bits wird automatisch eun Verletzungsbit eingefügt.Diese wird von allen Teilnehmern überwacht.

14 CAN Data Link Layer Mechanismen zur Fehlererkennung
Vergleich der gesendeten Bitpegel mit dem Buspegel CRC Prüfsumme über das Telegramm Message frame check Acknowledgeprüfung (mindestens 1 Knoten muß antworten) Bit Stuffing wird von jedem Teilnehmer überprüft Fehlerzähler zur Erkennung von dauernden und sporadischen Fehlern Übertragungssicherung Typische Restfehlerwahrscheinlichkeit 4,7 * HD=6 Netzwerkweite Datenkonsistenz Unterscheidung hinsichtlich Störung und Ausfall eines Teilnehmers

15 Mechanismen zur Fehlererkennung intern
Ein Empfänger kennzeichnet eine fehlerhafte Nachricht durchdem er kein ACK-Slot sendet. Weiterhin kann ein fehlerhaftes Telegramm durch einen Error Frame überschrieben werden, damit es keiner empfangen kann. Der Sender unternimmt dann einen neuen Versuch. Eine dauernde Blockade des Busses durch fehlerhafte Telegramme wird durch eine vorgebbare Anzahl ausgesendeter Fehlertelegramme verhindert. teilnehmer begibt sich in den Passivmodus. Nach einer bestimmten Zeit schaltet er sich ab.

16 Application Layer (Offene Protokolle)
Herstellerspezifische Protokolle Device Net (Allen Bradley) für Steuerungsebene SDS ( Honeywell) für Sensor Aktuator Ebene SELECAN( Selectron) Herstellerunabhängige Protokolle CAL CAN Application Layer mit Profildefinition CMS CAN (MMS orientierte Dienste, durch objektorientierte Sprache CMS (Variablen mit Namen und Attribute versehen),Clint Server Modell (Event Objekt, Domain) NMT Netzwerkmanagement ( Init, Start, Stop eines Knotens DBT Distributor (Identifier, Sperrzeiten,Objekt Definition LMT Layer Management

17 Zeitverhalten / Zusammenfassung
Latenzzeit kann nur für die höchstpriore Nachricht garantiert werden. Höchstpriore Nachricht wird nr solange verzögert, bis momentan gesendete Nachricht beendet ist. (bei 1 MBit/s = 134 µs ) Sehr viele preiswerte Chips verfügbar, die sich im Funktionsumfang, aber nicht im Protokoll unterscheiden. CAN bietet eine effektive Übertragung von kleinen E/A Daten. Für große Ausdehnungen und für den Datenaustausch zwischen Steuerungen ist CAN ungeeignet

18 Das Aktuator Sensor Interface als "Ergänzung" des Feldbereichs
von 11 Firmen entwickelt.

19 Einordnung des AS-Interfaces in die Automatisierungshierarchie
Ethernet Leitebene PROFIBUS-FMS Zellenebene PROFIBUS, Interbus-S, CAN Feldebene Aktuator/ Sensor- Ebene

20 AS-Interface - Buskonfiguration
übergeordnetes Netz ASI Master weitere Teilnehmer ASI Netzteil 4E 2E 2A ASI 4E ASI Induktiver Bero mit 2E 2A 2E 2A 4E 4A ASI 4E 4E 4E ASI Sonar-Bero 4E weitere Teilnehmer weitere Teilnehmer ASI - Profil-Leitung weitere Teilnehmer Rundkabel

21 AS- Interface: Ziele intern
Binäre Sensoren und Aktuatoren unterschiedlicher Hersteller an einem einheitlichen digitalen, seriellen Schnittstelle anschließen. Verwendung eines ungeschirmten Zweileiterkabel Netztopologie ohne Beschränkung aufbaubar Signale und Stromversorgung über ein Kabel ( 24 VDC) Hohe Betriebssicherheit in industrieller Umgebung Systemreaktionszeit 5 ms Nettodaten 4 E / 4 A pro Teilnehmer Geringes Bauvolumen Geringe Anschlußkosten pro Teilnehmer Einfache Handhabung bei Inbetriebnahme und Störungsbeseitigung Module können direkt ans Kabel angeschlossen werden. Verlegung in der Maschine möglich.

22 Grundkomponenten eines AS-Interfaces
Aufbaus des AS-Interfaces als Modulkonzept ASI- Leitung als ungeschirmte Zweidrahtleitung ASI Slave mit Slave ASIC von ( Fa. Austria Mikro Systeme International GmbH AMS ) ASI Master als Koppeleinheit zur Steuerung des Anwenders oder eines übergeordnetes Bussystems mit den entsprechenden Master Chips (SAC 1 und SAM 1 Fa. Siemens) Energieversorgung ( Netzgerät) Projektierungsgerät Repeater zur Erweiterung der Leitungslängen

23 ASI: Funktionsweise Master / Slave Prinzip des Datenaustauschs in Linien und Baumstruktur realisiert. Master pollt zyklisch (bei Vollausbau im 5ms Takt ) die angeschlossenen Sensoren / Aktuatoren ab. Azyklisch wird parametriert und konfiguriert und adressiert. Es sind 31 Slaves ( max. 124 Sensoren und Aktuatoren ) anschließbar bei einer Leitungslänge von 100m ohne Repeater. Adressierung erfolgt automatisch, oder über Projektierung, d.h. ein ersetzter Slave wird automatisch nach Prüfroutinen vom Master erkannt. Datenübertragung erfolgt seriell (Vergleiche echtes Feldbussystem) Nettodatenrate: 4 Bit pro Aufruf eines Slaves. ASI Chip: 4 konfig. E/A´s. 4 Parameterausgänge, 2 Steuerausgänge.

24 ASI: Funktionsweise Pro Aufruf werden 4 Bits vom Master zum Slave und als Antwort vom Slave zum Master übertragen (Die E/A´s entsprechen den Spannungspegeln am Chip). Ein Parameteraufruf pro Zyklus an einen Slave ist möglich. Alle Telegramme werden direkt auf Übertragungsfehler überprüft und ggf. wiederholt. Der Slave Chip arbeitet autark ohne zusätzliche SW und Mikroprozessor. Der Chip kann direkt im Sensor /Aktuator oder in einem Anwendermodul eingebaut sein. Die Versorgungsspannung beträgt 30 VDC. Das Signal der DÜ wird aufmoduliert. 100mA Stromaufnahme pro Slave ist möglich.

25 ASI: Sicherheit Übertragungssicherheit: Jede Nachricht zwischen Master und Slave wird beim Empfänger auf Signalimpulse und Störsicherheit untersucht. Bis zu drei Fehler werden immer erkannt. ( 4 / 5fach Fehler werden noch mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9999 % erkannt). Fehlerhafte Nachrichten werden sofort wiederholt. Sicherheit bei Fehlfunktionen einzelner Komponenten. Ausfall wird sofort gemeldet. Sicherheit gegen Wartungsfehler durch Vergleich Soll- / Istkonfiguration. Zukunftssicherheit: Nachrüsten einfach durch feste Adressierung und Klemmtechnik

26 ASI: Signale mit APM Sender Empfänger Sende- 0 0 1 0 Pause bitfolge
Man. cod. Sender 60 mA Sende- strom Ub +2V Ub -2V Signale auf der Leitung neg. Impulse Empfänger pos. Impulsa rekonstr. Bitfolge Pause

27 ASI Nachrichten Masteraufruf Master Slaveantwort Slavepause pause 0 SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB I3 I2 I1 I0 PB 1 ST EB ST EB ST = Startbit SB = Steuerbit A4 ... A0 = Adresse des Slaves I I0 = Informationsteil vom Master an den Slave (5 Bit ) und vom Slave an den Master (4 Bit ) PB = Paritätsbit EB = Endebit

28 Nachrichten Masteraufruf : Masterpause zwischen 3 .. 10 Bitzeiten
ST markiert den Start eines Masteraufrufs (0) SB kennzeichnet den Daten Adress und Parameteraufruf (0= Daten, Parameter, Adresse), 1= Kommando PB: Die Summe aller "1" muß gerade sein. Slaveantwort: I0 .. I4 Infos vom Slave

29 Der Sensor - Aktorbus Interbus -S nach DIN 19258

30 Interbus-S Von Fa. Phönix Contact entwickelt und seit 1990 offengelegt
Für den Sensor Aktuator- Bereich geeignet Die Anwenderinteressen werden durch den Interbus-S Club unterstützt, der auch Zertifizierungen von Geräten durchführt.. Die Zielsetzung ist, daß zyklisch anfallende Daten ohne großen Overhead übertragen werden. Interbus-S benutzt eine Ringtopologie mit Summenrahmentelegramm als Übertragungsformat. sämtliche Ausgangsdaten sind für jeden Teilnehmer vorhanden Jeder Teilnehmer fügt seine Eingangsdaten hinzu.

31 Topologie von Interbus-S
Fernbus bis ca. 13 km Busmaster Peripheriebus < 10m Bus- klemme Sensor Loop < 100m Bus- klemme Installationsfernbus < 50m Bus- klemme Sensoren

32 Interbus - S: Übersicht intern
Datenring mit zentralem Master-Slave Zuriffsverfahren Zyklisches Polling aller Teilnehmer Deterministisches Verhalten Auslegung als Fernbus und Peripheriebus und Sensor loop Ankoppeln von 256 Teilnehmer am Fernbus möglich Anzahl der Teilnehmer am Peripheriebus durch Spgs. abfall begrenzt. Beim Sensor loop können nur 64 Teilnehmer/ Segment angeschlossen sein. Distanz zwischen 2 Teilnehmer < 400m möglich. Gesamtausdehnung 13 km. Zeitgleiches Senden und Empfangen durch Ringstruktur Verwendung des Summenrahmenprotokolls (Schieberegister) d.h. Das Telegramm beginnt und endet am Master.

33 Physikalische Eigenschaften
Im Fernbus wird auf RS 485 basierendes Protokoll mit 2-Draht Technik verwendet. Der Peripheriebus arbeitet mit CMOS-Pegeln und benötigt 4 Adernpaare. Die Busklemme versorgt die Elektronik im P-Bus.(max. 300 kbit/s). Das entspricht beim Fernbus eine Baudrate von 500 kbit/s bei 2-Leiter Die Interbus-S Spezifikation schreibt eine galv. Trennung der Teilnehmer vor (außer Peripheriebus). Jeder Fernbusteilnehmer hat eine eigene SV und wirkt deshalb als Repeater. Der Abstand der Teilnehmer am Fernbus < 400m, am P-Bus < 1,5m ( 8 Teilnehmer). LWL,Schleifringe,Infrarotlichtschranken sind bereits als Übertragungs-medium im Einsatz. Sensor Loop: Mit spezieller Busklemme erfolgt die Umsetzung zur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Vers. spg. auf einer 2-Drahtleitung. Zwischen 2 Sensoren dürfen max. 10m liegen --> max. 100m Ausdehnung. Das Nutzsignal wird auf Vers. spg. aufmoduliert. Stromaufnahme von 40mA /Teilnehmer möglich.

34 E/A orientiertes Übertragungsverfahren (Interbus-S)
Master Loopcheck FCS Control Rahmendaten Nurtdaten Steuerungen /Feldgeräte

35 Ein-/Ausgangsorientiertes Datenübertragungsverfahren intern
Verwendung des Summenrahmenprotokolls Geeignet für mittlere Geschwindigkeiten mit festem Zeitraster. Alle E/A´swerden in einem Zyklus angesprochen. (Rahmendaten werden nur einmal benötigt) Die Daten sind durch die physikalische Lage adressiert. Keine Adresseinstellungen notwendig. (Beim Autausch der Geräte keine Komplikationen). Jedes Gerät hat eine feste Datenlänge, die sich während des Betriebs nicht ändert. (Z.B. Ventile, Encoder)n.

36 Struktur eines Interbus-S Systems
Master Slave 1 Slave 2 Prozess- abbild Slave 4 Slave 3

37 Struktur eines Interbus-S Systems intern
Durch Summenrahmenprotokoll und physikalischer Ring werden Adressierungsverfahren vermieden. Einfacher Austausch möglich. Die Anzahl der Schieberegister bestimmt die Datenbreite Kein Mikroprozessor für die Busschnittstelle notwendig. Die E/A Daten werden im PAE/PAA des Masters gespeichert.

38 Aufbau eines Interbus-S Teilnehmers
CRC- Checker CRC- Generator Ausgangsreg. IN Eingagsreg. OUT Identifikationsreg. Control Register

39 Aufbau eines Interbus-S Teilnehmers intern
Die E/A Daten werden durch die Schieberegister transportiert. Eingangsregister ist zur Speicherung der Eing.daten bei Datenübernahme. Parallel zu E-Register sind die Ausgangsregister und die CRC-Register angeordnet, durch die ebenfalls die Daten geschoben werden.. Die Identifikationsregister beinhalten Informationen zum unterscheiden der Teilnehmer. Aus den Identifikationsregistern holt sich der Master im Identifikationszyklus die Teilnehmerinformationen. Die einzelnen Register werden über den Selektor in den verschiedenen Phasen an den Bus geschaltet

40 Der Identifikationscode
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Gerätegruppe Datenbreite Management Bits ID 15 ID 14 ID 13 Bedeutung x x 1 Rekonfigurations anforderung x 1 x CRC-Fehler 1 x x Modulfehler

41 Summenrahmentelegramm
Wert Index Dienst Wert Index Dienst Prozessdaten PD PD PD Parameter Para PD LB FCS E M M2 M M4 M n-1 Mn 16 Bit 16 Bit 16 Bit 16 Bit 32 Bit 16 Bit 16 Bit 16 Bit Bit

42 Interbus- S Telegramm intern
Der Master sendet ein komplettes Übertragungstelegramm an alle Teilnehmer Ein Teilnehmer antwortet mit einem Einzeltelegramm Alle Systemteilnehmer werden logisch wie ein Einzelteilnehmer angesehen. Jedes Telegramm wird immer an alle übertragen. Parameter werden nicht parallel, sondern sequentiell in das Protokoll eingefügt. Deterministik nur um 16 Bit "verschoben" Möglichkeit, Prozeßdaten und Parameter gleichzeit zu übertragen. Zuordnung der Daten erfolgt nicht über Adresse, sondern über die physikalische Lage des Teilnehmers. Im Telegrammformat wird zwischen Identifikations-und Datenzyklus unterschieden. Jeder Zyklus besteht aus einem Kontrollwort (LB), Daten, CRC-Wort, und Endesequenz. Daten und Status werden durch das Markerbit unterschieden

43 Interbus- S Sicherungsmechanismen intern
8-Leiter werden auf Pegelgleichheit überprüft. Bei 2-Leitertechnik wird nur Datenstrom überwacht. Im LB schickt der Master ein Kontrollwort durch sämtliche Teilnehmer. Ergibt der abschließende Vergleich einen Unterschied, werden die Daten der Slaves nicht übernommen Alle Übertragungsstrecken werden durch einen 16 Bit CRC überwacht. Durch CRC erreicht man eine HD=4 Fehlerhafte Segmente können automatisch vom Ring entfernt werden.Bei Ausfall eines Peripheriebusteilnehmers, kann der Master das Segment abkoppeln.

44 Application Layer / Anwender / Profile
AW-Programm Prozeßdaten Profile Layer 7 Layer 2 Layer 1 PCP= Periperal Comminication Protocol PDT PCP PMS PMS= Peripheral Mesage Specification PDL PDL= Peripherals Data Link MAC RS 485

45 Der Application Layer intern
Koordination von Prozeßdaten und Parameterdaten mittels MAC (Medium Access Control) und BLL (Basic Link Layer)) Bei Prozeßdatenverkehr setzt das Anwenderprogramm direkt auf MAC auf. Die Parameterübertragung erfolgt mit PCP ( Peripheral Data Link Layer). Zusammensetzung der Parameterblöcke. PCP setzt sich aus ALI,PMS und PDL zusammen. Auf BLL und PDL ist der Application Layer (PMS= Peripherals Message Specification) angesiedelt, der über Services mit Funktionsaufrufe verfügt. Über der Schicht 7 sind die AW-Profile definiert.

46 Der DIN Meßbus Der DIN Meßbus nach DIN

47 Der DIN Meßbus: Netztopologie
Master Abschluß Abschluß Slave Slave Slave 32

48 Der DIN Meßbus intern Der DIN Meßbus wurde für die industrielle Meßtechnik und für eichpflichtige Geräte entwickelt und Qualitätsüberwachungen (Zusammenarbeit zw. PTB und Industrie) Master-Slave System in Linientopologie. Prinzip: Aufforderungsphase, mehrere Quitungsphasen für Polling und hochpriore Alarmbehandlung. Übertragung erfolgt auf 4-Drahtleitung, 2 x twisted pair (Vollduplex) Galvanische Trennung, Schirmung und Potentialausgleich ist in der Norm fixiert. Ausdehnung: 500 m bei 1 MBit/s, max. 5m Stichleitungen. Datenübertragungsrate: 110 Bit/s ... 1MBit/s ASCII-Satz mit gerader Parität wird übertragen im NRZ Verfahrenüber RS 485 Phsik.

49 Das Übertragungsprotokoll
Startbit low 7-Bit Zeichen Parität Stopbit (high)

50 Das Übertragungsprotokoll intern
Der Datenverkehr teilt sich in 3 Phasen: Aufforderung, Übermittlung und Abschluß. Der Masteraufruf kann ein Sende-, Empfangs- oder Gruppenempfangsschnellaufruf sein. 8 Steuerzeichen sind in der Normdefiniert: SOH;STX;ETX;EOT;ENQ;DLE;NAK;ETB Bitbedeutung in der Aufforderungsphase: B1..B5 = Adresse, Bit 6 = Sende-oder Empfangsadresse, Bit 7 =1 Fehlererkennungsmechanismen ( HD=4): Parität bei Start-Stopübertragung (gerade Parität), BCC,Querparität, Längsparität. Innerhalb der Aufforderungsphase wird eine Block - und Quittungswiederholung durchgeführt.

51 Das Übertragungsprotokoll intern
STX Informationsfeld maximal 128 Zeichen ETB/ETX BCC

52 Das Übertragungsprotokoll intern
Der Master überwacht die Quittungszeit eines Teilnehmers und die max. Sendedauer eines Teilnehmers. Im Fehlerfall ist der Abbruch durch EOT möglich. (für hochpriore Nachrichten, und Umkonfiguration sinnvoll). Basis für den Application Layer ist MMS, jedoch mit verbesserter Protokolleffizienz. Deterministisches Verhalten, einfach berechenbar. Neuaufruf des Aufforderungstelegramms nach Ablauf der Überwachungszeit TA mit ENQ. Der Abstand zwischen 2 Zeichen darf 0,25 TA nicht überschreiten. TA ist das 20 fache der Übertagungszeit. Nach Abgabe des Senderechts an einen Teilnehmer startet die Leitstation eine Zeitüberwachung TC. Nach Ablauf von TC wird das Senderecht zurückgenommen.