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CAN-BUS Torben Rüsch, 04.12.2001 Stand der Technik und des Einsatzes des Steuersystems CAN-Bus im Fernsehstudio, bei der Steuerung von Scheinwerfern und.

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1 CAN-BUS Torben Rüsch, Stand der Technik und des Einsatzes des Steuersystems CAN-Bus im Fernsehstudio, bei der Steuerung von Scheinwerfern und Schienensystemen

2 Verdeutlichung des Themas Um welche Inhalte geht es in dieser Ausarbeitung ? Praxis: Welche Anforderungen stellt der Bereich der Medien an ein Steuerungssystem ? Worin unterscheiden sich die verwendeten Steuerungssysteme ? Welche Komponenten, Bausteine und Busmedien werden in den Medien eingesetzt ? Wie sehen typische Mediensteuerungen aus ? Notwendige Grundlagen und Begriffe: Informatik, Netzwerktechnik, Protokolle, Schnittstellen, Signalcodierungsverfahren Feldbussysteme, CAN-Technik

3 Einführung Notwendigkeit von Bussystemen in den Medien Multimedia und Digitaltechnik erfordern schnelle, flexible und stabile Steuerungssysteme. Der Einsatz innovativer Hard- und Software und die Nutzung von Rechnern zur Steuerung von technischen Anlagen im Bereich der Lichttechnik, Tontechnik und der Produktionsstätten ist eindrucksvoll gestiegen. Die Anforderungen an eine Automation der unzähligen und z.T. weit zerstreuten Anlagen sind entsprechend hoch. Es müssen die unterschiedlichsten technischen Geräte und Anlagen vernetzt werden. Die einzelnen Teilnehmer müssen untereinander Daten austauschen können und von dezentralen Rechnern steuerbar sein. Das gesamte System erfordert eine hohe Echtzeitfähigkeit, einfache Handhabung, Funktionsfähigkeit unter schwierigen elektrischen Umgebungsbedingungen und spezielle Rechnerarchitekturen. Neben der reinen Steuerung bedarf es umfangreicher Funktionen zur Fehlererkennung, Behandlung und Wartung.

4 Problemstellung: Konventionell wurden Sensoren und Aktoren über ein analoges Signal mit einer Steuerungseinheit verbunden. Für jede Verbindung wird demnach ein mehradriges Kabel und eine Steuerung mit entsprechend vielen Ein-und Ausgängen benötigt. Die zahlreichen und langen Kabelwege sind aufwendig zu installieren und unflexibel. Neben den hohen Installationskosten wird viel Platz für Kabel und Steuerungsanlagen benötigt. Entsprechende Systeme können als aufwendig, unflexibel, teuer und anfällig bezeichnet werden.

5 DMX-512 Protokoll Das DMX-Protokoll wird überwiegend in der Lichttechnik eingesetzt und deshalb auch Lichtsteuerbus genannt. Das DMX Protokoll eignet sich gut zum Steuern und Automatisieren von Aktoren. DMX ist nicht geeignet zur Erfassung und Weitergabe von Sensordaten. DMX-512 ist eines der wenigen Protokolle, das nicht ereignisgesteuert arbeitet. Steuerungsdaten werden permanent in Form von Datenbytes mit zyklischer Wiederholung gesendet. Zur Synchronisation wird eine spezielle Synchron-Sequenz zum Starten eines neuen Zykluses gesendet. Jeder DMX-Empfänger erhält per Codierschalter seine Zuordnung. Damit wird festgelegt, auf welches Datenbyte innerhalb eines Zykluses der Teilnehmer reagieren soll. Die Ansteuerung von Funktionen erfolgt über eine proportionale Spannung von 0 bis +10 V. Aufgrund der genannten Nachteile wird DMX unseren Anforderungen nicht gerecht.

6 Feldbussysteme Einführung: Ein Feldbussystem ist ein Datennetzwerk auf der industriellen Feldebene. Feldbussysteme können starken äußeren Belastungen ausgesetzt sein und werden vorwiegend in der Industrie eingesetzt. Mit dem Feldbus werden Aktoren, Leitsysteme und auch wichtige Sensoren verbunden. Der Einsatz eines Buskabels ermöglicht den Anschluss aller Geräte an nur einer Leitung. Anstelle der vielen Ein-und Ausgänge verwendet man Interface Karten, die viel Platz und Kosten für Verkabelungen sparen. Der digitale Bus ermöglicht einen bidirektionalen Datenaustausch. Neben den eigentlichen Steuerungsdaten werden wichtige Messwerte und Störsignale aufgenommen. Wartungsarbeiten werden enorm erleichtert. Feldbussysteme können als flexibel, leistungsfähig und kostengünstig bezeichnet werden. Eine komplette Vernetzung und Steuerung auf der Grundlage von Feldbussystemen erweist sich in vielen Bereichen als optimale Lösung. Allerdings sollte man den Aufwand für die Programmierung der Steuerungs- und Überwachungsfunktionen nicht unterschätzen.

7 Grundlagen Protokolle Netzwerk-Topologien Buszugriffsverfahren Bitcodierungsverfahren Fehlererkennung und Behandlung Synchronisation Busmedien Netzwerkerweiterungen Busankopplung CAN-Protokollcontroller

8 Integration von Teilnehmern Nahezu jedes elektrische Gerät in den Medien verfügt über eine Schnittstelle zum Kommunizieren. Eine Vernetzung unterschiedlicher Teilnehmer, Schnittstellen, Netze wird durch den Einsatz verschiedener Module möglich. Protokollkonvertierer sind in der Lage unterschiedliche Protokolle zu übersetzen. Geräte mit RS422, RS485, DMX, COM oder anderen Schnittstellen lassen sich somit durch zahlreich erhältliche Module in CAN-Systeme integrieren. Router sind Einrichtungen zur Kopplung von Netzen. Zur Hauptaufgabe gehört die Bereitstellung der globalen Netzwerkadresse und des Routings. Gateways sind Einrichtungen zur Kopplung von Netzen mit vollkommen verschiedener Kommunikationsarchitektur. Eine Fernwartung und Diagnose durch eine Ankopplung ans Internet ist möglich.

9 Komponenten: Konverter, Protokollkonvertierer Protokollkonvertierer ermöglichen die Integration von RS232, RS 485, RS422 oder Profi-Bus Modulen in ein CAN-Feldbussystem. Zusätzliche Filterfunktionen eliminieren Störsignale.

10 Komponenten: Repeater Repeater sind Signalregeneratoren. Sie ermöglichen weit ausgedehnte Netzwerke. Schwächen im Signal werden aufgearbeitet. Spannungs-, Masse und Kurzschlüsse werden erkannt. Die Funktion des übrigen Netzwerkes wird erhalten.

11 Warum eignen sich bekannte Schnittstellen nicht ? Eine Schnittstelle ist ein im Systembus befindlicher Interface Baustein zum Anschluss externer Geräte. Schnittstellen sind genormt. Die Normen enthalten u.a. den mechanischen Aufbau der Steckverbindung, Zuordnung der Signale und Kontakte, Kabellänge, Teilnehmerzahl und das Übertragungsprotokoll. Die bekanntesten Schnittstellen sind: USB, Midi, SCSI, Firewire, VGA, Bluetooth Midi wird überwiegend in der Musik und Tontechnik eingesetzt. Eine 5 polige DIN-Buchse verbindet Keyboards oder Effektgeräte untereinander oder mit einem Rechner. Firewire ist ein serieller Hochgeschwindigkeitsbus mit drei Leitungspaaren. Es können nur 16 Teilnehmer verbunden werden. Die Datenrate beträgt maximal 50 MByte/s. SCSI verbindet nur 7 externe Teilnehmer. Die Kabellänge beträgt maximal 25m. USB verbindet immerhin 127 Teilnehmer. Die Datenrate beträgt maximal 12 Mbit/s. VGA eignet sich als PC-Monitor-Verbindung. Bluetooth ist eine Funkschnittstelle mit einer Datenrate von 1MBit/s. Alle genanten Systeme werden unseren Anforderungen nicht gerecht. Sie lassen sich aber in ein CAN-System integrieren.

12 RS-232, RS-422, RS-485 Die seriellen Schnittstellen RS 232 [Windows] und RS 422 [Macintosh] unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Signalspannungen und der damit verbundenen maximalen Kabellänge. Achtung es gibt keine Steckernorm. An jeder Datenleitung kann jeweils nur ein Sender betrieben werden. RS-485 ist eine Verfeinerung der seriellen Schnittstelle RS-232 und RS-422. RS 485 ermöglicht die Vernetzung von mehreren Stationen der Datenerfassung und Auswertung. RS 485 arbeitet mit verteilten Sende-Berechtigungen welche ein Master-Rechner regelt. Master-Slave-Struktur. Eine 2 Draht Architektur ermöglicht Half-Duplex. Eine 4 Draht Architektur ermöglicht Full-Duplex. Kabellängen von über 100m sind möglich Einfache Aufgaben der Mediensteuerung können per RS 485 realisiert werden. Viele Teilnehmer verfügen über diese Schnittstelle. Konvertierer ermöglichen eine einfache Integration.

13 Anlagenverdrahtung Man unterscheidet zwischen serieller und paralleler Datenübertragung Serielle Übertragung: Bits werden nacheinander in Form von digitalen Impulsen übertragen. Die Übertragung kann synchron und asynchron erfolgen. Verdrahtung Parallele Übertragung: Daten werden in Form von Bitgruppen über Teilkanäle gleichzeitig übertagen. So werden z.B. pro Taktschritt 8 Byte gleichzeitig übertragen. Verdrahtung

14 Richtung des realisierbaren Informationsflusses Wir unterscheiden bei der Informationsübertragung zwischen zwei Methoden Simplexbetrieb: Die Informationsübertragung ist immer nur in einer Richtung möglich. Full-Duplex: Fähigkeit des simultanen Sende- und Empfangsbetriebs in beiden Richtungen. Full-Duplex erfordert eine separate Datenleitung für jede Richtung.

15 Buszugriffsverfahren / Zugriffsprotokolle / Medienzugriffsverfahren Wir benötigen Algorithmen, Steuervorschriften, nach denen sendewillige Teilnehmer den Bus belegen. Carrier Sense, Multiple Access: CSMA ist eine dezentralisierte, stochastische Buszugriffsmethode mit Signalabtastung und Kollisionsfeststellung. CSMA ist ein Multi-Master-System. CSMA ist ein Verfahren der zufälligen Buszuteilung. Alle Teilnehmer erhalten eine Buszugriffsberechtigung. Eine Busbelegung für die Verwaltung von Zugriffen entfällt. Die mittlere Busbelastung ist bei ereignisgesteuerten Nachrichtenaufkommen erheblich geringer.

16 Buszugriffsverfahren Master-Slave-Verfahren: Ein übergeordneter Busteilnehmer [Master] übernimmt die Steuerung des Buszugriffs durch zyklisches Aufrufen aller anderen Busteilnehmer [Slave]. Der Master kann Nachrichten an jeden Teilnehmer [Slave] senden und gleichzeitig Nachrichten abrufen. Multi-Master-Fähigkeit: Jeder Teilnehmer kann gleichberechtigt Nachrichten senden. Es wird keine übergeordnete Steuereinheit benötigt. Jeder Teilnehmer kann mit jedem anderen kommunizieren. Die Zugriffssteuerung erfolgt über eine Arbitration. Multitasking: Der scheinbar gleichzeitige Ablauf mehrerer Tasks (Aufgaben). In Wirklichkeit schaltet der Computer schnell zwischen den Tasks um. Ein Task ist demnach eine eigenständig zu bearbeitende Aufgabe, die unabhängig von anderen Aufgaben abgearbeitet werden kann.

17 Arbitrierung Definition: Die Übergabe der Kontrolle über den Bus an eine andere Einheit, die sich über Arbitrierungssignale zur Kontrolle angemeldet hat. Diese Einheit wird entsprechend als Busmaster bezeichnet. Bei Multi-Master-Systemen ist damit die Einheit gemeint, die den gleichzeitigen Zugriff verschiedener Tasks auf den Bus priorisiert. Bus-Arbitration bedeutet die Freigabe des Busses für den Zugriff einer Steckkarte. Ein spezieller Chip sorgt dafür, dass mehrere Peripherie-Einheiten, beziehungsweise Bus-Master, Zugriff auf den Bus haben. Grundvoraussetzung für Multiprozessorsysteme.

18 Synchronizationsverfahren Eine Synchronisation erfolgt durch das Herstellen fester Frequenzen und Phasenbeziehungen zwischen den Teilnehmern. Asynchrone Übertragung: Timing-Informationen sind implizit in das Codierungsverfahren eingearbeitet. Es wird keine separate Clock- Leitung benötigt. Es gibt demnach keinen übergeordneten Taktgeber. Alle Übertragungen sind zeitlich willkürlich. Ein Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger besteht nur für eine begrenzte Schrittzahl.

19 Verbindungs- und Kommunikationsarten Wie werden Teilnehmer verbunden ? Punkt-zu-Punkt-Kommunikation: Der Informationsaustausch erfolgt von einem Teilnehmer zu genau einem anderen Teilnehmer. Mehrpunktkommunikation: Nachrichten werden von allen Teilnehmern empfangen. Die Teilnehmer prüfen anschließend, ob die Nachricht für sie relevant ist. Warum eignen sich Local Area Network Systeme nicht ? LAN und andere bekannte Kommunikationssysteme erfüllen die geforderten Echzeitbedingungen nicht. Aufgrund der Umgebungsbedingungen benötigen wir mehr Zuverlässigkeit und Robusheit. Wir haben ein enorme Medienvielfalt: Zweidraht, Lichtwellenleiter, IR, Funk

20 Netzwerk-Topologie Unter der Topologie eines Netzwerkes versteht man die Verbindungsstruktur zwischen den Teilnehmern eines Kommunikationsnetzes. Linienstruktur: Teilnehmer sind linienförmig verbunden. Stern-Topologie: Alle Teilnehmer sind über eine Punkt zu Punkt Verbindung mit einem zentralen Rechner verbunden. Informationen laufen in einem Punkt / Knoten zusammen. Der Zentralrechner benötigt für jeden Teilnehmer eine extra Schnittstelle und entsprechend weitere Verkabelungen. Die Kommunikation bleibt beim Ausfall eines Teilnehmers bestehen.

21 Netzwerk-Topologie: Ring -Topologie Ring-Topologie: Alle Teilnehmer sind in Form einer geschlossenen Kette von gerichteten Punkt zu Punkt Verbindungen vernetzt. Die Informationen zirkulieren von Teilnehmer zu Teilnehmer, in Richtung der nächstniedrigen Adresse. Der Ausfall eines Teilnehmers bedeutet den Ausfall des Gesamtsystems. Aufgrund der aktiven Netzknoten lassen sich sehr ausgedehnte Netzwerke realisieren.

22 Rx und Tx Transreceiver: zusammengesetztes Wort aus TRANSmitter und reCElVER Sender und Empfänger befinden sich in einem Gerät. Der Transreceiver wird zur Busankopplung eingesetzt. Rx steht für Receiver [Empfänger] Gemeint sind die Eingangspins vom Datenbus zum Eingangskomparator auf dem Baustein. Tx steht entsprechend für den Transmitter [Sender]. Ausgang des internen, programmierbaren Push-Pull-Ausgangstreibers zum seriellen Datenbus. Zugriffszeit: Zeitspanne zwischen der Ausgabe eines Zugriffsignals und der Ausgabe oder Annahme der Daten durch die adressierte Einheit.

23 Unicast, Broadcast, Multicast Nachrichten können von keinem, einem, einigen oder allen Teilnehmern empfangen werden. Unicast: Unicast ist die direkte Datenübermittlung zwischen Sender und Empfänger. Multicast: Beim Multicasting übergibt der Sender Daten an einige Empfänger. Broadcast: Beim Broadcasting erfolgt die Nachrichtenverteilungan an alle Empfänger.

24 Busmedien Busmedien: Die Wahl des Busmediums ist entscheident für die Datenrate und die Mögliche Netzausdehnung.Das häufigste Übertragungsmedium ist eine abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung. Twisted-Pair-Kabel. Aufgrund der Zweidrahtleitung ist eine symmetrische Datenübertragung möglich. Elektromagnetisch eingekoppelte Störstrahlungen werden kompensiert. Einfachen Systemen genügt eventuell eine Eindrahtleitung. Im Bereich der Medien kommen auch 5 und 7 Drahtleitungen zum Einsatz. Glasfaserkabel sind besonders unempfindlic gegen Feuchtigkeit, Temperatur- schwankungen und Korrision. Kabel können beliebig gekrümmt und verknotet werden. Lichtimpulse haben eine hohe Impulsrate [Nanosekundenbereich]. Aufgrund der hohen Kosten ist der Einsatz sehr selten.

25 Teilnehmer- und Nachrichtenorientierte Protokolle Teilnehmerorientierte Protokolle: Fast alle konventionellen Datenkommunikationssysteme arbeiten nach dem Prinzip der Teilnehmeradressierung. Der Datenaustausch erfolgt auf der Basis von Teilnehmeradressen, Knotennummern oder Modulidentifiern. Nachrichten beinhalten demnach Ziel- und Quelleadressen der beteiligten Teilnehmer. Nachrichtenorientierte Protokolle: Bei der CAN-Datenübertragung werden die Teilnehmer nicht adressiert. Stattdessen beinhaltet jede Nachricht zur Nachrichtenerkennung einen Identifier der netzweit eindeutig ist. Anhand des Identifiers prüft jede Station, ob die Nachricht für sie relevant ist. Priorisierung von Nachrichten: Gleichzeitig legt der Identifier auch die Priorität der Nachricht fest. Die Nachricht mit der höheren Priorität wird bei der Datenübertragung vorrangig abgearbeitet.

26 NRZ-Signalcodierung - Non - Return - to - Zero Bitcodierungsverfahren unterscheiden sich in der Anzahl von Zeitabschnitten, die für die Darstellung eines Bits erforderlich sind. Bei der NRZ - Codierung bleibt der Signalpegel über die gesamte Bitzeit konstant. Somit ist nur ein Zeitabschnitt für die Darstellung eines Bits erforderlich. Bei gleichem Bustakt (Busfrequenz) ermöglicht die NRZ-Codierung etwas mehr als die doppelte Bitrate gegenüber der Manchestercodierung. Kommt auch beim Fast Ethernet zum Einsatz.

27 Dezentrale Steuerung Bei der zentralen Steuerung erledigt ein Rechner alle Anforderungen und Aufgaben. Er erhält alle Sensorinformationen und erledigt sämtliche Überwachungen und Datenverarbeitungsaufgaben. Umfangreiche Aufgaben erfordern entsprechend große Rechner, Schaltschränke. Das Konzept der Dezentralisierung beruht auf weitgehend selbständigen Einheiten, die jeweils einen eigenen Rechner und eine eigene Schnittstelle zu den Sensoren und Aktoren besitzen. Leitrechner werden weitgehend entlastet. Vorrausetzung der Dezentralisierung ist die Kommunikationsfähigkeit der Einheiten, Multi-Master-Fähigkeit.

28 Einsatz in den Medien Es folgen einige Beispiele

29 Komponenten: Tontechnik In der Tontechnik wird der CAN-Bus in professionellen Anlagen zur Systemdiagnose, Wartung und Betriebsunterstützung eingesetzt. Am Monitor lassen sich wichtige Parameter des Studios kontrollieren, steuern und automatisieren. Wichtig ist das reibungslose Schalten der DSP-Ressourcen, Ein- Ausgänge, der Dynamiksektionen und der Speicherungsdaten. Professionelle Audio Systeme zum digitalen Audio-Mixing bestehen aus zwei Hauptkomponenten. Den Oberflächen zum Abmischen und Routen und den DSP-Recheneinheiten. Die Verbindung der Komponenten erfolgt per CAN-BUS. Die Leitung darf bei Volllast maximal 60m betragen. Einige Systeme bieten immerhin 264 Eingänge digital / analog und 168 Ausgänge.

30 Komponenten: Schienensysteme Das Problem: Es gibt Bereiche in denen man nach Möglichkeit auf Verkabelungen verzichten möchte oder sogar muss. Bei Live-Veranstaltungen sind sichtbare Kabelführungen oft unerwünscht und aufwendig zu umgehen. Kamerafahrten und Drehungen um die gesamte Achse werden durch Kabel behindert. Bei Sport oder Open Air Veranstaltungen braucht man Systeme, die sehr schnelle Fahrten und 360 Grad Drehungen realisieren. Die Lösung: Spezielle Schienensysteme ermöglichen eine kabelschlepplose Steuerung. Bei der kabelschlepplosen Steuerung lassen sich über den CAN-Bus Steuerungssignale durch Schienen schleifen. Die Schienen sind in der Lage alle denkbaren Kabelführungen zu ersetzen.

31 Komponenten: Schienensysteme Aluminium-Schleifleitersystem mit integrierten Kupferleitungen zur Stromversorgung und Steuerung. Hohe Tragfähigkeit.

32 Komponenten: Schienensysteme Schienen sind in den unterschiedlichsten Formen und Ausstattungen erhältlich. Fernsehstudios benötigen besonders ruckelfreie Schienen für Kamerafahrten. Open Air Veranstaltungen und Sportveranstaltungen verwenden Schienen für schnelle Richtungswechsel und besondere Kamerafahrten.

33 Komponenten: Schienensysteme SAT 1: Studio Berlin Das Schienensystem versorgt alle Geräte mit Strom und Steuersignalen. Rollwerke ermöglichen eine computergesteuerte Positionierung.

34 Komponenten: Schienensysteme TV-Studio der Hochschule für Film und Fernsehen in Babelsberg. Schienensystem und CAN-Bus Steuerung Messe

35 Komponenten: Schienensysteme Motorzüge und Vorhangzuganlagen lassen sich über CAN-BUS, Profibus, RS-485 punktgenau steuern. Fehler und Überlastungen werden erkannt und behandelt. Kabelschlepplose Kamera

36 Komponenten: Motorsteuerungen In den Medien eignen sich spezielle Motoren und entsprechende Motorsteuerungen. Neben einer punktgenauen Steuerung sind umfangreiche Kontrollfunktionen möglich. Eine optimale Busankopplung wird durch eine integrierte CAN-Schnittstelle erreicht.

37 Komponenten: Positionier- und Synchronisiersteuerungen Zur Regelung von Asynchronmotoren und Antriebsachsen mit inkrementalen oder absoluten Drehgebern gibt es spezielle Komponenten. Es lassen sich alle gängigen Servoverstärker für Motoren regeln.

38 Komponenten: Züge Im Veranstaltungsbereich werden vernetzte Fahrwerke in Verbindung mit Rollwerken eingesetzt. Züge können Lasten von bis zu 5000 Kg tragen. Züge ermöglichen schnelle und exakte Bewegungen. Gefahren, Fehler, Wartungsaufgaben können per CAN-Bus übermittelt werden.

39 Komponenten: Dimmer Dimmermodule lassen sich per DMX und CAN-Bus vernetzen. Betriebsdaten sind abrufbar.

40 Komponenten: Bus Input Komponenten / Kommunikationsmaster Zur Steuerung und Überwachung von Anlagen und Geräten eignen sich echtzeitfähige Rechner, SPS Module und vorkonfigurierte Module diverser Hersteller. Einfachen Anwendungen genügt bereits eine übliche PC Architektur mit Kommunikationsschnittstelle zur Busankopplung. Betriebssysteme wie Windows und Linux, in Verbindung mit geeigneten Programmiersprachen wie C, C++, Visual Basic ermöglichen die Erstellung von einfachen Bedienoberflächen. Es existieren bereits vielfältige Steuerungsprogramme auf dem Markt. Aufwendige Anwendungen, die unter Echtzeitbedingungen arbeiten sollen, benötigen Industriecomputer, die geringe Latenzzeiten und echtes Multi-Tasking ermöglichen.

41 Komponenten: Bus Input Komponenten / Kommunikationsmaster CAN-Fernbedienung für Peripherieanlagen und Automatisierungen von max. 60 Geräte. Kontrolleinheit zur Überwachung und Wartung. Es können Testfunktionen generiert werden.

42 Theorie CAN-TECHNIK

43 CAN-Einführung CAN steht für Controller Area Network und wurde von der Robert Bosch GmbH entwickelt und als Steuerbussystem in der Fahrzeugtechnik eingesetzt. CAN ermöglicht die Vernetzung elektronischer Anwendungen. Im Bereich der Fahrzeugtechnik werden ABS, ASR, Sitzverstellung, Lichtanlage, Amaturenbrett, Klimaanlage, Fensterheber usw. vernetzt. Das CAN-Protokoll ist Internatinal genormt (ISO 11898).

44 CAN-Protokoll CAN basiert auf einer linienförmigen Topologie. Repeater und Router ermöglichen ausgedehnte baumartige Topologien und Netzstrukturen. Die mögliche Netzausdehnung und Datenrate hängt stark vom verwendeten Busmedium ab. Datenraten von über 1MBit/s bei einer Netzausdehnung von 50m sind möglich. Bei einer Netzausdehnung von 110 m sinkt die Datenrate auf etwa 500 kBit/s. Die Anzahl der Teilnehmer wird nicht vom Protokoll, sondern durch Treiberbausteine begrenzt. Das CAN-Protokoll ist ein nachrichtenorientiertes Protokoll und bedient sich den Möglichkeiten der Priorisierung von Nachrichten. CAN ist ein Multi-Master-System. Zur Gewährleistung geringer Latenzzeiten ist die Datenlänge auf 8 Byte begrenzt.

45 CAN-Protokollcontroller Der Protokollcontroller übernimmt alle protokollbezogenen Aufgaben. Er enthält alle erforderlichen Funktionen für die Fehlererkennung, Busarbitrierung, Assemblierung, Serialisierung und Synchronisation. Controller sind in den unterschiedlichsten technischen Ausführungen erhältlich. Die Implementierungen des CAN-Protokolls sind bezüglich der Kommunikation identisch. Grundsätzlich kann man aber zwei Hauptgruppen unterscheiden. Stand-alone Protokollcontroller besitzen keine eigene Intelligenz und sind auf einen Host-Controller angewiesen. Mikrocontroller mit integriertem CAN-Protokollcontroller sind kompakter und in der Lage Steuerungsaufgaben und Datenvorverarbeitungen auszuführen. Gleichzeitig ergibt sich eine bessere Zugriffszeit und geringere CPU-Belastung.

46 Busankopplung Eine Busankopplung ist die Verbindung zwischen dem CAN-Protokollbaustein und dem Busmedium. Zur Ankopplung verwendet man Transceiver-Bausteine. Ein Transceiver-Baustein besteht im wesentlichen aus einem Sendeverstärker und einem Empfangsverstärker, der dem Eingangskomparator des Protokollchips vorgeschaltet ist. Aufgabe: Anpassung der Signaldarstellung zwischen Baustein und Busmedium Der Bustreiber sorgt für ausreichend Treiberleistung. Technik: Der Eingangskomperator wandelt das Differenzsignal des CAN-Busses in ein dem CAN-Signal entsprechenden Logikpegel um.

47 Fehlererkennung und Behandlung Das CAN-Protokoll beinhaltet Überwachungsfunktionen für Netzknoten. Fehler werden zu 100% erkannt. Wichtigste Aufgabe: Beim Überschreiten von festgelegten Fehlerraten werden defekte Teilnehmer erkannt und vom Netzwerk abgetrennt. Der Datenverkehr kann ungehindert fortgesetzt werden. Wichtige Fehlererkennungsmechanismen: Bitüberwachung: Netzknoten überwachen, ob ihre gesendeten Buspegel auch auf dem Bus vorhanden sind. Telegrammformatüberwachung: Formfehler in Nachrichten werden erkannt. Zyklische Blockprüfung: Nachrichtenverfälschungen werden erkannt.

48 Beispiele Einfache Konzepte

49 Netzknoten Linienförmige Verbindung von Scheinwerfern 116 CAN-Bus

50 Einfache Vernetzung

51 Lichtsteuerung mit DMX, CAN-Bus und Schienensystem


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