Versuch CAN-Bus Anwendung im Kfz

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1 µc Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) Versuch CAN-Bus Anwendung im Kfz Praktikum Automobilelektronik 1 Allgemeiner Aufbau des Versuches Die im Versuch verwendeten Platinen besitzen interne Spannungswandler und Schutzfunktionen die auf eine Versorgungsspannung von 12V DC abgestimmt sind Deswegen ist eine Spannungsversorgung mit genau dieser Spannung erforderlich Benötigte elektrische Geräte und Messgeräte: - Versuchsaufbau CAN BUS - Stromversorgung 12V DC ( Kfz-Batterie oder leistungsstarkes Netzteil) mit Sicherung - Oszilloskop - CAN-Platinen (Knoten 1, Knoten 2, Knoten 3 und Knoten 4) - Lampenmodule - PC mit Software CAN Application 21 - RS232 Schnittstellenkabel zur Verbindung von PC und Knoten 1 - CANalyzer Hard- und Software Versorgungsspannug, intern verbunden, maximale Strombelastbarkeit: 5A +12V DC Masse CAN BUS +12V DC Masse CAN BUS CAN-Bus, intern verbunden Verbraucher CAN Knoten V2 V3 V4 Potentialfreie Relaiskontakte V5 V6 V7 Reset S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 externe Steuertasten Abbildung 11: Anschlussbelegung von Knoten 1, 2, 3 und 4 1

2 Knoten 1 Knoten 2 Knoten 3 Knoten 4 S1 S1 S1 S1 S8 S8 S8 S8 CAN_H CAN_L 2 RS232 Osziloskop YOKOGAWA DL1540L Abbildung 12: Versuchsaufbau CAN-Bus System Die Abbildung 12 zeigt den Versuchsaufbau zum Praktikumversuch CAN-Bus Es ist darauf zu achten, dass die Verkabelung des Versuchsplatzes und die Stromversorgung der Verbraucher Lampenmodule genau nach Anleitung erfolgen muss Die Speisung der Verbraucher muss direkt von der Kfz-Batterie (und geeignetes Netzteil) erfolgen, da die interne Weiterverdrahtung der CAN-Platinen und die Verbindungsleitungen nur für Ströme bis 5A ausgelegt sind Die auf den Grundträgern angegebene Polarität ist zu beachten Inbetriebnahme: - Stellen Sie die Verbindung zwischen Knoten 1 und dem PC über ein RS232 Schnittstellenkabel her - Koppeln Sie die Knoten 1 bis Knoten 4 mit Hilfe der CAN-Bus-Leitungen - Verbinden Sie das Oszilloskop und CANalyzer mit dem CAN-Bus nach Abb 12 - Schalten Sie die Stromversorgung, das Oszilloskop und den PC ein - Starten Sie die Software CAN Application 21 und CANalyzer - Setzen Sie die CAN-Knoten mit dem Resettaster zurück 2

3 2 Versuchsanleitung für CAN-Praktikum Nach dem ordnungsgemäßen Aufbau des Labornetzwerkes sollen die unter 4 genannten Aufgaben abgearbeitet werden 1 EINLEITUNG Durch die Verkopplung der einzelnen Systeme, Sensoren und Aktoren wurde auf Druck der Automobilindustrie Anfang der 80er Jahre das CAN-Protokoll (Controler Area Network) entwickelt Dieses Protokoll beschreibt die physikalische und logische Grundlage zur Kommunikation mehrer Systeme auf einem seriellen Zweidraht-Bus zum Datenaustausch zwischen Baugruppen 2 ZIELSTELLUNG Ziel des Versuches ist es die Grundlagen von CAN wie Arbeitsweise, Protokoll und Analyse in einer Anwendung kennen zu lernen und einen Überblick über die Möglichkeiten beim Einsatz eines Bussystems zu erhalten 3 EINFÜHRUNG 31 FELDBUS ALLGEMEIN Zur fehlerfreien seriellen Kommunikation innerhalb eines Bussystems ist es zwingend notwendig, dass alle Busteilnehmer (Stationen) die spezifizierten Regeln einhalten Der Datenaustausch erfolgt paketweise, dh dass immer kleine Datenmengen auf einmal gesendet werden und der Bus anschließend wieder frei ist Damit keine Daten verloren gehen (zb durch gleichzeitiges Senden zweier Stationen) muss eine Zuteilung des Senderechtes zu einer Station erfolgen (Arbitrierung) Bei dieser Arbitrierung existieren gravierende Unterschiede zwischen den einzelnen Bussystemen Im folgenden soll nur das Arbitrierungsverfahren des CAN-Feldbussystems vorgestellt werden 32 CAN-FELDBUS / PAKETAUFBAU Ein CAN Paket besitzt folgenden Aufbau: Abbildung 13: Paketaufbau Standard-ID 3

4 Die einzelnen Abschnitte bedeuten: SOF 1 Bit - Start Of Frame Beginn eines Paketes (immer SOF = 0) 11-Bit ID 11 Bit - IDentifier Nummer (Name) des Paketes und Priorität RTR 1 Remote Transmission Datenanforderung (RTR = 1) oder Bit - Request Datenpaket (RTR = 0) IDE 1 Bit - IDentifier Extension Standard (IDE = 0) oder Extended (IDE = 1) ID-Format RES 1 Bit - REServed Reserviert für spätere Entwicklungen (immer RES = 0) DLC 4 Bit - Data Length Code Anzahl der folgenden Datenbyte (Datenlänge) DATA 0-64 Bit - DATA Nutzdaten des Paketes (bis zu 8 Byte) CRC 16 Cyclic Redundancy Prüfsumme zu Erkennung von Bit - Check Übertragungsfehlern ACK 2 Bit - ACKnowledge Fehlersignalisierung durch Empfänger EOF 7 Bit - End Of Frame Ende des Paketes (immer EOF = 1) IFS mind 3 Bit - Inter Frame Space Telegramm Zwischenraum Abbildung 14: Paketinhalt Bei der CAN- Datenübertragung werden keine Stationsnummern verteilt, sondern jede Nachricht bekommt eine eigene, netzweit eindeutige,11 Bit breite Nummer (Identifier oder ID) durch den Programmierer zugewiesen Der Wert der ID ist bei der Zuteilung der Sendeberechtigung entscheidend, wenn mehrere Stationen um den Zugriff auf den Bus (Sendeberechtigung) konkurrieren Je niedriger die ID, umso priorer ist die Nachricht Es existiert noch eine Erweiterung des CAN-Protokolls auf eine ID-Länge von 29 Bit Das Datenpaket hat dann folgende Form: Abb 1: Paketaufbau Extended ID Abbildung 15: Paketaufbau Erweiterte ID Es handelt sich um einen identischen Aufbau mit einem weiteren ID-Feld welches dem IDE-Bit folgt Die Verwendung der Extended Identifiers wird durch setzen des IDE-Bit auf logisch 1 angezeigt 4

5 Es ergeben sich folgende Anzahlen theoretisch möglicher unterschiedlicher Nachrichten: 11 Bit ID = 2 11 = 2032 unterschiedliche Nachrichten 29 Bit ID = 2 29 = 536 Millionen unterschiedliche Nachrichten 33 CAN-ANALYSE-SOFTWARE Um die Steuerungsaufgaben in heutigen Kfz zu bewältigen, werden CAN- Bussysteme mit unterschiedlichen Übertragungsraten (20Kbit/s bis 12 Mbit/s) konzipiert und eingesetzt Das Unternehmen vector Informatik GmbH aus Stuttgart hat für die Entwicklung solcher komplexen Systeme das Analysewerkzeug CANalyzer auf den Markt etabliert Es kann zur Überprüfung der ID, der Fehlerrahmen und kleinerer Steuerungsfunktionen, die über die C- ähnliche Sprache CAPL ( CAN-Application Language ) programmiert werden, genutzt werden Im Versuch CAN-Bus wird der CAN-Komfortbus mit einem Bustakt mit 48 Kbit/s verwendet Abbildung 16: CANalyzer Startbildschirm 4 5

6 AUFGABENSTELLUNG Mit Hilfe des Oszilloskops können die Funktionen von Knoten 1, 2, 3 und 4 als Bitmuster ausgelesen und die jeweiligen Identifier ermittelt werden Diese Identifier sind mit den im Mikrocontrollerprogramm verwendeten Identifier zu vergleichen Schalten Sie dazu die Verbraucher ein und aus (Betätigen der Tasten) und nehmen Sie die Tastenbelegung auf Das Verwenden des PC-Anwenderprogramms CAN Application 21 bietet Auslese und Kontrolle (vergl Abb 17) Außerdem ist eine Steuerung des Knoten 3 direkt vom PC aus möglich Die gesendeten Identifier sollen ebenfalls ausgelesen und verglichen werden Die Error Detection - Funktion im PC-Programm soll alle am CAN-Bus befindlichen Knoten dem Anwender melden Es können auch einzelne Knoten vom Bus getrennt werden, um eine Fehlerauslösung zu aktivieren Aus den Oszilloskopbildern sollen alle Bestandteile von CAN-Rahmen erkannt und dokumentiert werden Hierzu ist ein Ausdruck des Bildes erforderlich Je Versuchsgruppe wird 1 Rahmen für unterschiedliche Funktionen (hier festgelegte Temperaturen) aufgezeichnet Lesen sie den CAN-Speicher des Knoten 2 mit Hilfe des PC-Programms aus Vergleichen sie die empfangenen Werte für die Temperaturanzeige (Byte 1 und Byte 2), indem sie diese in Binärzahlen umrechnen und mit einer 7- Segmentanzeige vergleichen Verbinden Sie die PCMCIA-Karte am Kanal 1 mit der CAN-Bus-Schnittstelle am CAN-Bus-Versuch Stellen Sie im Programm CANalyzer im Konfigurationsmenü den Bustakt ein Überprüfen Sie die von Ihnen ermittelten IDs mit Hilfe des Programms CANalyzer (vorgehen nach Anleitung) 6

7 Anlage: Einsatz der CAN Application Software 21 (Monitoring System) Unter dem Menüpunkt Status befinden sich die drei Unterfunktionen zur Kontrolle und Steuerung der verschiedenen CAN-Knoten Knoten 1: Mit Aufrufen des Menüpunktes Knoten 1 öffnet sich folgendes Fenster Abbildung 17: Kontrollfenster Knoten 1 Wie in der Abbildung 17 zu erkennen, können mit Hilfe dieses Fensters die Daten aus dem CAN-Puffer angezeigt werden Der Sendevorgang der Daten zum PC wird mit Hilfe des Taster 8 vom Knoten 1 aus aktiviert Byte 1 und Byte 2 geben die Temperaturwerte der Sieben-Segmentanzeige von Knoten 2 wieder Byte 3 bis Byte 8 stellen den Status der restlichen Funktionen dar 7

8 Knoten 2: Mit Aufrufen des Menüpunktes Knoten 2 öffnet sich folgendes Fenster Abbildung 18: Kontrollfenster Knoten 2 In diesem Kontrollfenster werden die Lichtstatusinformationen des CAN-Bussystems visuell dargestellt Für jede Funktion steht eine separate Anzeige zur Verfügung Die entsprechenden Farbcodes sind einem Kfz nachempfunden (schwarz: nicht aktiv / farbig: aktiv) Die Informationen werden Timergesteuert jede Millisekunde vom CAN- System neu angefordert Mit der Auswahl der Funktion Aktuelle Temperatur, wird die aktuelle Temperatur von Knoten 2 angefordert und im Kontrollfenster angezeigt 8

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