Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: CAN Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

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1 Bild 2.7_1 Quelle: VW Bild 2.7_2 Quelle: Automobilelektronik 03/2004, VW VW Phaeton: - drei Bussysteme (Antrieb, Komfort, Info), ein optischer Bus und Sub-Busse - 61 vernetzte Steuergeräte CAN-Botschaften Signale m Kabel CAN

2 Bild 2.7_3 Quelle: Bosch Controller Area Network (CAN) ist ein serielles Bussystem, welches von Intel und Bosch ursprünglich für den Einsatz in Automobilen entwickelt wurde. Netz-Struktur Bus-Struktur Vermaschtes Netz Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Viele Signalwege und dicke Kabel Hohe Kosten und Fehleranfälligkeit Serielles System Kurze Stichleitungen Vereinfachte Verdrahtung Strenge Kommunikationsregeln erforderlich! Controller Area Network (CAN) Bild 2.7_4 CAN- Controller Area Network Der CAN-Bus ist ein serielles Bussystem, bei dem alle Teilnehmer gleichberechtigt sind, d.h. jedes Steuergerät kann unabhängig senden und empfangen. CAN adressiert im Gegensatz zu anderen Protokollen nicht die Teilnehmer, sondern die übermittelte Nachricht. Der Teilnehmer entscheidet, ob er die Daten benötigt oder nicht Beginn der Entwicklung des CAN- Protokolls bei Bosch 1987 Der erste CAN-Serienchip von INTEL ist verfügbar 1992 Erste Serienanwendung (Mercedes S- Klasse) 1993 Internationale Normung als ISO Über 3 Millionen CAN-Bussysteme im Kfz-Bereich CAN- Bus Entwicklung

3 Bild 2.7_5 Quelle: VW Automatikgetriebe- Steuergerät ABS/EDS-Steuergerät Motor-Steuergerät CAN Bus Prioritätenfolge Bild 2.7_6 Netzknoten: Besteht aus einem Mikro- Kontroller, CAN-Kontroller und Bustreiber Mikrokontroller: Steuert den CAN- Kontroller und bearbeitet Sende- und Empfangsdaten CAN-Kontroller: Ist verantwortlich für den Sende- und Empfangsbetrieb Bustreiber: Senden bzw. Empfangen des Buspegel Busleitung: Zweidrahtleitung (verdrillt oder abgeschirmt) Busabschluss: Widerstände zur Vermeidung von Reflexionen. Übertragungssystem

4 Bild 2.7_7 Quelle: Bosch CAN - Buspegel Bild 2.7_8 CAN-High Dominant logisch 0 Rezessiv logisch 1 CAN-Low 0 Volt Logik CAN-High CAN-Low Differenzpegel Rezessive 1 2,5 Volt 2,5 Volt 0 Volt Dominant 0 3,5 Volt 1,5 Volt 2 Volt CAN Buspegel Messung

5 Bild 2.7_9 1. Daten bereitstellen Die Daten werden dem CAN-Controller vom Steuergerät zum Senden bereitgestellt. 2. Daten senden Der CAN-Transceiver bekommt vom CAN- Controller die Daten, wandelt sie in elektrische Signale um und sendet sie. 3. Daten empfangen Alle anderen Steuergeräte, die mit dem CAN- Datenbus vernetzt sind, werden zu Empfängern. Steuergerät 1 Steuergerät 2 Steuergerät 3 Steuergerät 4 Daten übernehmen Daten prüfen Daten empfangen 5. Daten übernehmen Sind die Daten wichtig, werden sie übernommen und verarbeitet, ansonsten vernachlässigt. Daten bereitstellen Daten senden Daten prüfen Daten empfangen Daten übernehmen Daten prüfen Daten empfangen 4. Daten prüfen Die Steuergeräte prüfen, ob sie die empfangenen Daten für ihre Funktionen benötigen oder nicht. Datenbus-Leitung Ablauf einer Datenübertragung Bild 2.7_10 Quelle: Vw Start of Frame Identifier Kontrolle Dateninhalt Checksumme Empfangstempel Ende Start of Frame: Start of Frame: Markiert Markiert den den Anfang Anfang einer einer Botschaft. Botschaft. 1 bit bit Remote Transmission Remote Transmission Request Request (RTR): (RTR): Datafield (0) oder Datafield (0) oder Remotefield (1) Remotefield (1) 1 bit bit Data Field: Data Field: Infodaten Infodaten bit bit Acknowledgement Field: Acknowledgement Field: Bestätigt ob Botschaft fehlerfrei Bestätigt ob Botschaft fehlerfrei empfangen wurde empfangen wurde ACK Bit: 0= korrekter Empfang ACK Bit: 0= korrekter Empfang ACK Delimiter: 1 rezessives Bit ACK Delimiter: 1 rezessives Bit 2 bit bit Identifier: Identifier: Inhalt Inhalt der der Botschaft Botschaft für für die die Akzeptanzprüfung Akzeptanzprüfung bit bit Control Control Field: Field: IDE-Bit: CAN 2.0A IDE-Bit: CAN 2.0A oder B oder B R0: reserviert R0: reserviert DLC: Länge DLC: Länge Nachricht Nachricht 6 bit bit Cyclic Cyclic Redundancy Redundancy Check: Check: bit bit End End of of Frame: Frame: Markiert das Ende einer Markiert das Ende einer Botschaft. Botschaft. 7 bit bit Aufbau Datenprotokoll

6 Bild 2.7_11 Quelle: Braess Standard CAN Format (CAN 2.0 A) Extended CAN Format (CAN 2.0 B) Botschaftsrahmen Bild 2.7_ Delimiter Delimiter RTR SOF Identifier Control Daten CRC-Feld Aufgabe: Auswerten folgender Botschaft

7 Bild 2.7_ SOF FF 01 A4 6 C 6 E RTR Delimiter Delimiter Identifier Control Daten CRC-Feld CAN Datenverkehr: Auswertung Bild 2.7_14 Quelle: Bosch Netzknoten 1 rezessiv dominant S O F Identifier R T R Control Field listen Data Field Netzknoten 2 listen Netzknoten 3 Buspegel Arbitrierungsverfahren

8 Bild 2.7_ NRZ None Return to Zero Manchester PWM Pulsweitenmoduliert Methoden der Bitcodierung Bild 2.7_16 Stuff = Stopfen > Stuffingregel NRZ > Vorteil: geringere Frequenz < 50% als bei anderen Bitcodierungen Nachteil: fehlende Synchronisierung bei vielen gleiche Bits hintereinander Abhilfe: Einstopfen eines invertierten Synchronisierbits nach einem 5. gleichen Bit. Empfänger filtert eingestopfte Bits wieder heraus. Bit-Stuffing

9 Bild 2.7_17 Bit-Stuffing Bild 2.7_18 - Low Speed - CAN (ISO ) mit Bitraten < 125 kbit/s - High Speed - CAN (ISO11898) mit Bitraten > 125 kbit/s - Minimale Datenrate = 10 kbit/s - Maximale Datenrate = 1 MBit/s (max. 40 m Leitungslänge) - Zweidrahtleitung - Terminierung mit 120 Ω Abschlusswiderstand - Maximale 32 Busteilnehmer - Standard CAN Format (CAN 2.0 A) - Extended CAN Format (CAN 2.0 B) Fakten und Eigenschaften CAN

10 Bild 2.7_19 Reduzierung Gewicht/Volumen - Weniger Leitungen - Teilw. dünnere Leitungen - Unterbringung wo Platz ist - Mehr Funktionalität pro Leitung Qualitätssteigerung - Weniger Steckkontakte - 100% diagnostizierbar - Verbesserung EMV bei optischem Bus Kosteneinsparung - weniger Leitungen - Mehrfachnutzung Sensorik - Ausnutzung von Restkapazitäten in Steuergeräten durch verteilte Funktionen Bus neue Möglichkeiten - Integriertes Bedienkonzept - Sprachbedienung - Animierte Bedienungsanleitung - Fahrzeugferndiagnose - Unfallvermeidendes Fahrzeug - Komfortfunktionen (z. B. keyless entry) - Software Updates - erweiterte Diagnosemöglichkeiten Reduzierung Montagezeit - Unterstützung Modulbauweise (z.b. Lenksäulenmodul 5 Arbeitsschritte 2) - Modultests dezentral Steigerung Flexibilität, Erweiterungsfähigkeit - Änderungen durch Software - Teilweise Plug & Play - Verteilung von Funktionen auf Steuergeräte Vorteile von Bussystemen Bild 2.7_20 Im Antriebsstrang: Bei der Antriebsschlupfregelung sind die Eingriffe in die Zündung, die Einspritzung und die Drosselklappenstellung zu koordinieren. In der mobilen Kommunikation: Vernetzung von Mulitmedia-Komponenten wie Autoradio, Telefon, CD- Wechsler, Navigations- und Fahrerinformations-systemen etc. Im Karosserie- und Komfortbereich: Anzeigen, Beleuchtung, Zugangsberechtigungen, Diebstahlwarneinrichtungen, Sitz- und Spiegelverstellung, Klimaregelung, Scheibenwischer etc. CAN-Kfz-Anwendungen

11 Bild 2.7_21 Personen- und Lastkraftwagen - Motorsteuerungen -Sensoren - Aktoren - Entertainment Industrie und Automatisierung - Maschinensteuerung - Robotersteuerung - Überwachungssysteme Embedded Systems - Haushaltsgeräte - Kassensysteme - Spielautomaten - Büromaschinen Öffentliches Verkehrs- und Transportwesen - Personenbeförderung und Güterverkehr - Signalüberwachung und Signalsteuerung - Fahrgast - Informations - Systeme Haus- und Energietechnik - Fahrstuhl - Kontrollsysteme - Markisensteuerung bei Sonneneinstrahlung - Klimatisierungsautomatik - Raum/Temperatur - Regelung - Lichtanlagen - Regelung Einsatzgebiete CAN Bild 2.7_22 Quelle: Bosch CAN Architektur

12 Bild 2.7_23 Quelle: VW Steuergerät CAN Controller Tx = Sendemodul TX Transceiver RX Rx = Empfangsmodul CAN Komponenten Bild 2.7_24 CAN Bus Datenleitung CAN Low Antrieb CAN High orange/braun orange/schwarz Quelle: VW Komfort orange/braun orange/grün Infotainment orange/braun orange/violett CAN Diagnose orange/braun orange/rot Kombi orange/braun orange/blau CAN Farbcodierungen

13 Bild 2.7_25 Quelle: Vector, Ixxat CAN Software Bild 2.7_26 Verknüpfung mit D3 Richtungsblinken.exe.lnk Blinkeransteuerung via CAN

14 Bild 2.7_27 Aufgaben des Gateway im Schalttafeleinsatz Datenaustausch zwischen - CAN - Antrieb - CAN - Komfort - CAN - Infotainment CAN Datenbusvernetzung: Gateway im Schalttafeleinsatz Bild 2.7_28 Die Aufgabe des Vernetzungsgateway besteht im wesentlichen darin, die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Bussystemen im Fahrzeug darzustellen, d.h. eine Kommunikation zwischen den Steuergeräten in den verschiedenen Bussystemen zu ermöglichen. Der Datendurchsatz im Vernetzungsgateway muss mit geringsten Laufzeiten und ohne Datenverlust sichergestellt werden. Bisher war das Gateway im Kombi verbaut. Schnittstellen: Diagnose- CAN 500 kbps Kombi- CAN 500 kbps Antriebs- CAN 500 kbps Gateway Infotainment- 100 kbps CAN E- CAN 500 kbps (M-Ausstattung) Gateway Komfort- CAN 100 kbps

15 Bild 2.7_29 CAN-Bus Dominantes Signal Schalter geschlossen Lampe leuchtet nicht Rezessives Signal Schalter geöffnet Lampe leuchtet In der Spezifikation des CAN-Bus ist die negative Logik festgelegt worden Zustand mit Wert Transceiver geschlossen 5 Volt Zustand mit Wert Transceiver geöffnet 5 Volt Spannung auf Datenleitung ca. 2 V bzw. 3 V im Komfortbus 0 Volt Spannung auf Datenleitung ca. 0 V bzw. 5 V im Komfortbus 0 Volt ca. 1,5 bzw. 3,5 V im Antriebsbus ca. 2,5 V im Antriebsbus Negative Logik Bild 2.7_30 0-Dominanz Am CAN-Datenbussystem sind immer mehrere Steuergeräte angeschlossen. Nur wenn alle Steuergeräte ein 1 -Bit senden ist die Information auf dem Bus logisch 1. Sendet mindestens ein Steuergerät ein 0 -Bit, so ist das Signal auf der Busleitung logisch 0. Die 0 -Information des einen Steuergeräts überschreibt die 1 -Information der anderen Steuergeräte. Das 0 -Bit ist dominant Das 1 -Bit ist rezessiv Negative Logik

16 Bild 2.7_31 CAN-Bus 25M MOST optischer Ring 10M TTx Datenrate (Bit/s) 1M CAN Zweidrahtbus Flexray 20K 0,5 1,0 2,5 5,0 Relative Kosten pro Busknoten ( ) Übersicht der gängigen Bussysteme Bild 2.7_32 CAN-Bus Spezifikation Rel. Kosten/Knoten Gering (~1 ) Mittel (~2 ) Hoch (~5 ) Medium Ein-Draht Zwei-Draht Lichtwellenleiter Übertragungsrate Bis 20 KBit/s Bis 1 MBit/s Bis 22,5 MBit/s Datenmenge gering mittel hoch Bus-Zugriff Master/Slave Multi-Master Master/Slave Buszugriff asynchron asynchron synchron und asynchron Anzahl Teilnehmer Master + 16 Slaves Nicht definiert Max. 64 (empfohlen) (abhängig von Schnittstellenbausteinen) Datensicherheit Parity-Bits Checksumme (CRC) Bit-Fehler, Formatfehler, Stuff-Fehler, ACK-Fehler, CRC-Fehler Checksumme (CRC) Vergleich verschiedener Bussysteme

17 Bild 2.7_33 Motor LM-Scheinwerfer UGDO Frischluftgebläse Headunit(MMI) PTC- Heizung ACC Advanced Key AAS RDK AFS - CAN LWR Gateway ILM - BF Multifunktion CDC LIN - Klima TSG Sitzmemory Airbag E-Rücksitz APS EPB Anhänger ILM hinten FZH BEM Klima EZS Kombi ESP - CAN FBS-Bus LIN - RDK LM-Scheinwerfer ESP Standheizung CAN - Antrieb Antenne RDK WWS ILM- Fahrer CAN - Kombi ELV SMLS Telefon/ Telematik MFL LIN TSG Duosensor(ESP) Antenne RDK Subbussysteme DSP DAB K-Box Navi TV-Tuner CAN - Komfort CAN - Abstandsregelung MOST C6 - Vernetzung Bild 2.7_34 CAN Architektur Audi A8

18 Bild 2.7_35 Quelle: VW Strang Stern Ring Lichtwellenleiter CAN Bus Versionen Bild 2.7_36 Datenübertragung mit Hilfe von modulierten Lichtwellen geringerer Leitungsbedarf geringeres Gewicht feste Taktfrequenz (44,1kHz wie bei digitalen Audiogeräten) ermöglicht die Übertragung synchroner Daten dadurch höhere Datenübertragungsrate (bis zu 21 Mbit / Sekunde) mit Hilfe der Signalcodierung können verschiedene Anwendungen in einem Datenring zusammengeschlossen werden keine Probleme durch elektromagnetische Einflüsse ebenso keine elektromagnetische Störquelle TV-Tuner Ton Video CAN Sound System MOST Bedieneinheit Display MOST Datenbus

19 Bild 2.7_37 Totalreflexion Radius > 25mm Radius < 25mm Optisch dichteres Medium Optisch dünneres Medium Totalreflexion von optisch dichterem zu optisch dünnerem Medium! Optische Datenübertragung Bild 2.7_38 CD-Wechsler Telematik Jedes Steuergerät besitzt einen eigenen binären Adresscode (Identifier) Steuergerät für Information vorn Display TV-Tuner Jedes Steuergerät sendet die Daten in einer Richtung zum nächsten Steuergerät Dieses Weitersenden wird solange fortgesetzt, bis das Autoren -Steuergerät die Nachricht wieder empfängt geschlossener Ring Diagnose Interface für Datenbus (Gateway) Bedieneinheit Radio-Tuner Kartenleser Sprachbedienung Navigation Verstärker Diagnose- Anschluss Aufbau und Ringstruktur

20 Bild 2.7_39 Bild 2.7_40 Alle Steuergeräte befinden sich innerhalb eines begrenzten Bauraumes (lokales System). Der Datenaustausch zwischen den einzelnen LIN-Bussystemen in einem Fahrzeug erfolgt über jeweils ein Steuergerät durch den CAN-Datenbus. Das System ermöglicht den Datenaustausch zwischen einem LIN-Master-Steuergerät und bis zu 16 LIN-Slave-Steuergeräten. Beim LIN-Bus handelt es sich um einen Eindraht-Bus. Der Leitungsquerschnitt beträgt 0,35 mm². Eine Abschirmung ist nicht erforderlich. Die Datenübertragungsrate beträgt 1 bis 20 Kbit/s. Eigenschaften LIN

21 Bild 2.7_41 Wischersystem Schalter Frontwischer Dual- Pumpe M Schalter Heckwischer Empf. / Intervall M Wischer vorne Regensensor Schaltmodul Lenksäule SMLS Bordnetz Stg. Gateway Stg. Heckwischer M Hochdruckpumpe M Komfort Stg. ABS Stg. V Motorhaube Heckklappe Beispiel LIN Bild 2.7_42 Standardisiertes Kurzstrecken Funksystem Bluetooth

22 Bild 2.7_43 2,45 GHz Frequenzband (lizenzfrei) Antenne, Steuerung und Verschlüsselung (128-Bit-Schlüssel) und Sende- und Empfangstechnik sind ein einem Modul integriert. Damit Bluetooth-Geräte eine Verbindung aufbauen können, müssen sie angelernt werden. Der Verbindungsaufbau erfolgt anschließend automatisch. Maximal acht aktive Bluetooth-Geräte bilden ein Piconet. Ein Gerät im Piconet übernimmt die Master-Funktion. Jedes Gerät hat eine weltweit einmalige 48-Bit-lange Adresse, das ermöglicht weltweit Billionen Geräte identifizieren! Bluetooth Aufbau Bild 2.7_ CAN-Antrieb CAN-Komfort CAN- Infotainment lin MOST Bluetooth 0 Datenübertragungsraten