CAN im Auto. Studienarbeit. Embedded Control 5. Semester

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Studienarbeit CAN im Auto Embedded Control 5. Semester Autor Christian Meister Klasse E3b Dozent M.Felser Datum Dezember 2005

2 I Zusammenfassung Im Rahmen des Vertiefungsfaches Embedded Control erhielten wir den Auftrag unter verschiedenen Bussystemen aus allen möglichen Anwendungsbereichen eines auszuwählen und es näher zu betrachten, um schlussendlich einen Bericht darüber zu verfassen. In diesem Bericht soll der im Automobilbau stark verbreitete CAN-Bus näher vorgestellt werden. Heutige Automobile vom Kleinwagen bis zur Oberklasse enthalten eine Vielzahl von elektronischen Geräten. Die Systeme lassen sich dabei grob in zwei Klassen einteilen: Steuergeräte, z.b. ABS, ESP oder Motor-/Getriebesteuerungen Multimediakomponenten, z.b. Navigationssystem oder CD-Player Es ist absehbar, dass die Menge der Elektronik in den kommenden Jahren deutlich zunehmen wird. Sowohl der Gesetzgeber, der an einer Verbesserung des Abgasverhaltens und des Treibstoffverbrauches interessiert ist, als auch der Kunde, der immer neue Verbesserungen in Fahrkomfort und Fahrsicherheit wünscht, fördern diese Entwicklung. Schließlich verbessern auch die Autohersteller kontinuierlich ihre Modelle, sei es um Kosten zu sparen oder als innovatives Element, das Systeme hervorbringt, die sich ein Kunde heute noch gar nicht vorstellen kann. Als Folge der steigenden Anzahl Funktionen steigt auch die Anzahl Sensoren und Aktoren und so nimmt der Aufwand der Vernetzung immer mehr zu. Aus diesem Grund gewinnen heute Bussysteme immer mehr an Bedeutung. Ihre Vorteile sind: Geräte müssen nur einmal an den Bus angeschlossen werden. Das bedeutet weniger Gewicht, Raum und Kosten. Jedes an den Bus angeschlossene Gerät kann mit jedem anderen kommunizieren. Diagnosekomponenten sind möglich. Ausfallsicherheit kann mit redundanten Leitungen erhöht werden. Standards für den Bus fördern die Modularität der Geräte. So wird auch der Variantenvielfalt vieler Automobile Rechnung getragen. Im Automobilbau werden jedoch andere Anforderungen an ein Bussystem gestellt als bei Computernetzwerken. Sie werden vor allem durch Preis und Sicherheit bestimmt. Burgdorf, Dezember 2005 Christian Meister

3 II Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... I Inhaltsverzeichnis... II 1 Geschichte Markt und Einsatzgebiet Wo wird CAN eingesetzt Umfang der Systeme im Einsatz Anwendungsmodelle Bustopologie Schichten der CAN-Software und CAN-Hardware Technologie CAN Frame Zugriffsverfahren und Kollisionsschutz Fehlererkennung TTCAN Installationstechnik... 7 Anhang...A A.1 Quellenverzeichnis... A

4 1 1 Geschichte Bei CAN handelt es sich um ein asynchrones, serielles Bussystem, das seit 1983 von Bosch für die Vernetzung von Steuergeräten im Automobil entwickelt wird und 1985 zusammen mit Intel vorgestellt wurde, um die Kabelbäume (bis zu 2 km pro Fahrzeug) zu reduzieren und dadurch Gewicht zu sparen.1987 wurde die Schnittstelle fertiggestellt, 1988 stand der Chip von Intel zur Verfügung und Anfang der 90er Jahre schaffte es den Durchbruch im Automobilbau wurde der erste CAN Bus in der Mercedes S- Klasse verbaut wurden dann auch CAN- Busse in der unteren Mittelklasse verwendet. Als Folge der hohen Verbreitung von CAN sind die Komponenten sehr Preisgünstig und in hohen Stückzahlen erhältlich. Weitere Anwendungsgebiete sind z.b. Haushaltsapparate, Textilmaschinen oder Aufzüge. 2 Markt und Einsatzgebiet 2.1 Wo wird CAN eingesetzt CAN wird in einer Mehrheit der europäischen PKW s eingesetzt, aber auch in Lastwagen und Geländefahrzeugen. 2.2 Umfang der Systeme im Einsatz Im Frühling 1997 waren 50 Millionen CAN Knoten im Einsatz. Diese Zahl dürfte sich beim rasanten Tempo der Entwicklungen neuer Funktionen für die Automobile bis heute vervielfacht haben. Christian Meister 2005 Dezember

5 2 3 Anwendungsmodelle 3.1 Bustopologie CAN ist ein sogenannter Multi-Master-Bus, bei dem jeder Teilnehmer Master werden kann und dann seine Nachrichten versendet. Die Kommunikation erfolgt ereignisgesteuert. Will ein Rechner eine Nachricht versenden, so gibt er seinem zugehörigen CAN-Kontroller den Auftrag dazu. Dieser versendet die Nachricht, sobald entweder der Bus frei ist oder die zu versendende Nachricht die höchste Priorität hat. Es gibt keine Empfängeradressen im Bus, so dass jeder Teilnehmer alle Nachrichten hört (Broad- /Multicast). Ebenso ist das Hinzufügen reiner Empfangsstationen während des Betriebs möglich, ohne Änderungen an Hard- oder Software durchführen zu müssen. Abb. 3-1: Bustopographie bei CAN CAN verfügt über eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 10 kbit/s bis 1 Mbit/s bei einer Buslänge bis 1km (50 kbit/s). Die theoretisch möglichen 1 Mbit/s reduzieren sich in der Realität jedoch auf effektive 500 kbit/s. Die maximale Anzahl der Knoten im Bus beträgt 32. Abb. 3-2: Bandbreite über Buslänge bei CAN

6 3 3.2 Schichten der CAN-Software und CAN-Hardware Die einzelnen Aufgaben des CANBus sind in sogenannten Schichten (Layer) definiert. Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Diese Schicht beschreibt die physikalischen Eigenschaften, wie z.b. Stecker, Kabel, Signalpegel und wie ein Bit auf der Leitung dargestellt wird. Übertragungsschicht (Transfer Layer) Die Übertragungsschicht hat die Aufgabe, das spezifizierte Busprotokoll abzuarbeiten. Dazu gehören die Erzeugung eines Übertragungsrahmens ("Pakets"), die Anforderung des Busses mit der nötigen Erkennung des Buszustands (frei, belegt) und evtl. die Durch- bzw. Weiterführung des Zugriffs (dezentrale Buszuteilung). Dazu kommen die Aufgaben der Fehlererkennung und Fehleranzeige. Objektschicht (Object Layer) Diese Schicht hat als Hauptaufgaben die Botschaftenverwaltung und Zustandsermittlung. Sie entscheidet, welche Botschaften momentan zu übertragen sind. Auf der Empfängerseite nimmt sie eine Botschaftenfilterung anhand der Kennung im Identifikationsfeld vor, d.h. eine Entscheidung, welche Botschaften vom Knoten akzeptiert werden müssen und welche nicht. Anwendungsschicht (CAN Application Layer CAL) In dieser Schicht werden die zu übertragenden Daten als Botschaften bereit gestellt und mit einer Kennung versehen, die eine inhaltsbezogene Adressierung ermöglichen. Durch die Wahl der Kennung wird jede Nachricht mit einer festgelegten Priorität versehen.

7 4 4 Technologie 4.1 CAN Frame Die CAN-Spezifikation benutzt für Higher- und Lower-Bits die beiden Bezeichner rezessiv und dominant. Die Bezeichnung wurde so gewählt, da das dominante Bit immer das rezessive überschreibt. Es werden vier verschiedene Frameformate definiert: Data-, Remote-, Error- und Overload- Frame. Die beiden letzteren kennzeichnen Fehlersituationen, wobei der Error-Frame einen Datenfehler und der Overload- Frame einen Protokollfehler, z.b. bei einem zu geringen Abstand zwischen zwei Frames, markiert. Abb. 4-1: Aufbau eines CAN Data Frames Startfeld 1 Bit: Markiert den Beginn eines Frames durch ein dominantes Bit. Arbitrierungsfeld 12Bit: Es setzt sich zusammen aus dem 11 Bit Indentifier und dem RTR - Bit. Das RTR - Bit dient zur Unterscheidung zwischen Data- und Remote- Frame. Beim Data- Frame ist es ein dominantes Bit. Kontrollfeld 6Bit: Enthält 4 Bits, welche die Länge des Datenfelds angeben und 2 Bits welche für Erweiterungen reserviert sind. Datenfeld 0-64Bit: Das Datenfeld kann 0-8 Bytes lang sein. Es beinhaltet die eigentlichen Daten. Im Remote- Frame ist es immer 0 Bytes lang. CRC-Feld 16Bit: 15 Bit stellen eine Prüfsumme dar und ein Bit das CRC- Delimiter genannt wird (rezessive). ACK-Feld 2Bit: Das ACK-Feld wird für die Empfangsbestätigung durch die Empfänger benutzt, die auf das rezessive 1. Bit ein dominantes Bit im 2. Bit, dem sogenannten ACK-Slot, schreiben. Endefeld 7Bit: Das Frame wir abgeschlossen durch 7 rezessive Bits.

8 5 4.2 Zugriffsverfahren und Kollisionsschutz Der CAN-Bus arbeitet nach dem CSMA /CA- (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) Verfahren (nicht zu verwechseln mit CSMA/CD wie beim Ethernet). Bei der Datenübertragung werden keine Stationen adressiert, sondern der Inhalt einer Nachricht über einen Identifier gekennzeichnet. Dieser bestimmt gleichzeitig die Priorität einer Nachricht, die dann benötigt wird, wenn zwei Knoten gleichzeitig auf den Bus senden wollen. Ein Knoten im CAN-Netzwerk kann entweder im Sende- oder im Empfangsmodus sein. Während ein Knoten sendet, lesen alle anderen Knoten vom Bus. Die Empfänger entscheiden anhand des Identifiers einer Nachricht, ob diese für sie relevant ist oder nicht. Nach dem Ende der Nachricht können alle Knoten auf den Bus schreiben. Zur Kollisionsvermeidung wird die bitweise Arbitrierung verwendet. Das heisst, wenn mehrere Knoten gleichzeitig auf den Bus schreiben wollen bestimmt die Priorität, welcher Knoten zuerst schreiben darf. Zunächst schreiben alle drei Knoten das Start- Feld des Frames auf den Bus und überprüfen diesen, indem sie vom Bus lesen. Da das Startfeld immer ein dominantes Bit ist, sind alle drei Schreibvorgänge vorerst erfolgreich. Nun beginnen die Knoten bitweise das Arbitrierungsfeld - und damit den Identifier - auf den Bus zu schreiben und jeweils die geschriebenen Bits zu überprüfen. Liest ein Knoten vom Bus ein anderes Bit, als er geschrieben hat, bricht er die Arbitrierungphase ab und geht in den Empfangsmodus über. Es gewinnt der Knoten die Arbitrierung, der den niedrigsten Identifier und damit die höchste Priorität hat. Dieser kann dann seine vollständige Nachricht senden, während die anderen Knoten auf die nächste Arbitrierung warten müssen. Abb. 4-2: Busarbitrierung Mit der bitweisen Arbitrierung wird gewährleistet, dass auch bei dem gleichzeitigen Sendewunsch mehrerer Stationen keine Buskapazität verloren geht, wie das beispielsweise beim Ethernet der Fall ist. Zudem wird eine Priorisierung der Nachrichten berücksichtigt. Ein Kollaps des Kommunikationssystems ist ausgeschlossen, nachteilig ist aber, das Nachrichten mit niedriger Priorität in Volllastsituationen sehr lange warten müssen.

9 6 4.3 Fehlererkennung Das CAN Protokoll kann Fehler über verschiedene Mechanismen signalisieren: Cyclic Redundancy Check (CRC) Der Sender versieht die Data- oder Remote- Frames mit einer Prüfsumme. Der Empfänger wiederum berechnet auch die Prüfsumme. Wenn die beiden Summen nicht übereinstimmen muss die Nachricht nochmals gesendet werden Frame Check Der Framecheck vergleicht den Frame mit der Spezifikation. Stimmt etwas nicht überein, so muss der Frame nochmals gesendet werden. ACK- Fehler Im ACK-Slot von Data- und Remote-Frame, dem jeweils 2. Bit des ACK-Feldes, wird von den Empfängern ein dominantes Bit auf den Bus geschrieben, das den Empfang quittiert. Bitstuffing Bitstuffing ist eine Fehlerüberprüfung auf Bitebene. Dabei wird nach 5 aufeinanderfolgenden gleichwertigen Bits ein sogenanntes Stuffbit mit dem komplementären Wert eingefügt. D.h. nach 5 High-Bits folgt immer ein Low-Bit. Die Stuff-Bits werden beim Sender eingefügt und beim Empfänger wieder entfernt und beeinträchtigen nicht die Struktur des Frames. Bitstuffing wird nur bei Data- und Remote-Frames benutzt. Monitoring Alle am CAN-Bus angeschlossen Knoten überwachen ständig den Buspegel. So können Differenzen zwischen gesendeten und empfangenen Bits erkannt werden. 4.4 TTCAN Bei sicherheitsrelevanten Systemen wird TTCAN eingesetzt, da CAN im Worst- Case nicht deterministisch ist. TTCAN hält sich prinzipiell an die CAN Spezifikation. Es handelt sich jedoch um eine zeitgesteuerte Variante (Time Triggered CAN), bei welchem jede Nachricht ein bestimmtes Zeitfenster bekommt. Abb. 4-3: TTCAN Systemmatrix

10 7 5 Installationstechnik Der Bus ist als Zweidrahtleitung realisiert (in Ausnahmefällen auch Eindrahtleitung möglich); diese überträgt die Daten als Differenzsignal. Je nach Anwendung ist die Zweidrahtleitung parallel, verdrillt (Twisted- Pair) oder geschirmt ausgeführt. CAN kann die Daten auch über Lichtwellenleiter übertragen. Entscheidungskriterien für den Einsatz sind dabei die Kosten sowie technische Aspekte. Abb. 5-1: Twisted-Pair Adernpaare mit Farbcode Abb. 5-2: Mit CAN verbundene Steuergeräte

11 8 Abb. 5-3: Beispiel für eine CAN Hardware Bei einem Highspeed Bus müssen zusätzlich 2 Abschlusswiderstände von je 120 Ohm (zwischen CAN_HIGH und CAN_LOW) verwendet werden.

12 A Anhang A.1 Quellenverzeichnis Bussysteme im Automobil von Thomas Dohmke Technische Universität Berlin Fakultät Elektrotechnik und Informatik. Christian Meister 2005 Dezember

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