Busverkehr im Kraftfahrzeug

Präsentation zum Thema: "Busverkehr im Kraftfahrzeug"—  Präsentation transkript:

1 Busverkehr im Kraftfahrzeug
Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen Informationsaustausch zwischen den Steuergeräten. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

2 Konventionelle Verkabelung
Die konventionelle Verbindung der Steuergeräte erfordert für jede Dateninformation eine eigene Datenleitung. Getriebe-Steuerung Motronic E-Gas ABS/ASR/ESP Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

6 Das Multiplex-Datenbussystem
Eine erste Busversion in Kraftfahrzeugen war der Kabelbaum-Multiplexer, den verschiedene Hersteller einsetzten. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 Bitlängen hier je ca. 0,16 ms entspr Bit/s) Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 mitzählen“ Das sind folglich insgesamt 2 + 8*4 Bitlängen pro Informationsblock. (hier 34 * ca. 0,16 ms, also etwa 5 ms). Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

14 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Die Lösung ist der CAN – Datenbus! Controller Area Network Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

15 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

16 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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: Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

17 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Die Global Player: SIEMENS Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

18 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Anwendungsbereiche: - Kraftfahrzeugtechnik - Landmaschinentechnik - Medizintechnik - Werkzeugmaschinen (CNC, Robotik) - Gebäudeleittechnik - Textilmaschinen - Fern- und Nahverkehrstechnik - Aufzüge, Rolltreppen Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

19 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Entwicklungstendenz der Can-Bus Technologie (Bis Mitte 2000 hatte allein Philips 100 Millionen CAN-Transceiver hergestellt) Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

20 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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 Spezielle Leitungstreiber Übertragungsrate: <5 kBit/s bis 1 MBit/s programmierbar Datenkapazität: 0 bis 8 Bytes/Botschaft Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

21 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Topologie Teil 2: Botschaftsformate: Standardformat (11 Bit Identifier) oder erweitertes Format (29 Bit Identifier) Botschaftslänge:Maximal 130 Bits (Standardformat) oder 150 Bits (erweitertes Format) Maximale System-Erholzeit nach Störungen:Typisch 17 bis 23 Bit-Zeiten (in Sonderfällen bis zu 29 Bit-Zeiten) Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

22 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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) -> Botschaften sind sehr kurz, Bitrate < 10 kBit/s Klasse 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 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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

23 Beispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz W203):
Der CAN Datenbus Beispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz W203): Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

24 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

25 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

26 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Datenprotokoll: Originalaufnahme vom Auswertprogramm des CAN-Schulungsstandes (oben CAN-high unten CAN-low) Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

27 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Oszilloskopbild Low-Speed CAN-Bus: Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

28 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Bitauszählung: Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

29 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Oszilloskopbild High-Speed CAN-Bus VW Lupo TDI (3l): Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

30 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

31 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
Der CAN Datenbus Zur Arbitrierung: In der CAN-low Leitung ist das niedrigere Bit dominant, d. h. Station S3 hat gewonnen und darf weitersenden. Stop Senden Synchronisation Station S1 Station S2 Station S3 Bus- Leitung Daten Arbitrationsfeld SOF Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

32 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

33 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

34 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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. Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

35 Datenbussysteme im Kraftfahrzeug
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). Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

36 Das Multiplex-Datenbussystem
Übungsphase: Computer – Auswertprogramm Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke Anregungen, Kritik, CD, Ausklang Datenbussysteme im Kraftfahrzeug