Der CAN Bus. CAN, Profibus, LON, ASI, Interbus-S, Bitbus, FIP, EIB, ebus der Siegeszug der vernetzten Kommunikationssysteme (Feldbussysteme) in der

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1 INFO & GRUNDLAGEN Der CAN Bus Intelligente, dezentrale Datenkommunikation für den Praktiker (Teil 1) CAN, Profibus, LON, ASI, Interbus-S, Bitbus, FIP, EIB, ebus der Siegeszug der vernetzten Kommunikationssysteme (Feldbussysteme) in der Industrie ist nicht mehr aufzuhalten. Ausgereifte Technik, Protokollimplementierungen in Silizium (-Chips), sinkende Preise und einfache Handhabung machen die Feldbustechnik mittlerweile aber auch für den engagierten Praktiker außerhalb der Industrie zu einem interessanten Thema. In dieser kleinen Artikelserie wird die Bus-Technik einfach, anschaulich und praxisnah vorgestellt. Nach den Grundlagen im ersten Teil werden in weiteren Folgen ein universelles Bus-Interface für Mikrocontrollersysteme und die Anwendung in einem sehr einfachen Bus-Netzwerk beschrieben. Bernd vom Berg, Peter Groppe 56 Elektor 9/99

2 Im ersten Teil wird kurz auf die Geschichte und die Normung des Busses eingegangen und danach werden die wichtigsten Kenndaten der Busankopplung (Physical Layer) erläutert. Im zweiten Teil wird das Datenübertragungsprotokoll (Data Link Layer) erklärt und tabellarisch die Bausteine einiger Hersteller kurz aufgeführt. Danach geht es in die Schaltungspraxis: Es wird ein universell einsetzbares Bus-Interface, vorgestellt, das eine Vielzahl von Mikrocontroller- bzw. Mikroprozessor- Systemen Bus-tauglich macht. Der Aufbau, die Programmierung und der Betrieb eines kleinen Netzwerkes mit PCs und Mikrocontroller- Karten wird im dritten Teil dieser Serie vorgestellt 1 Erwartete Verkaufszahlen in Mio. Stück Jahr D IE ENTWICKLUNG Anfang der 90er Jahre kristallisierten sich für die internationale Automobilindustrie zwei zentrale Problemschwerpunkte für zukünftige Weiterentwicklungen auf den Gebieten der PKW- und der LKW-Technik heraus: Der geforderte Komfort in den Fahrzeugen stieg ständig weiter an: über elektronische Scheibenheber, Sitz- und Spiegelverstellungen, Sitzheizungen, elektrische Klimaanlagen bis hin zu audio-visuellen Darbietungen und GPS-Leitsystemen forderte der Markt ein immer breiteres Spektrum an Bequemlichkeits-Produkten. Auf den anderen Seite ist natürlich auch das Sicherheitsdenken auf Seiten der Benutzer stark angestiegen und die dazu notwendigen Systemerweiterungen reichen heute von elektronsicher Zentralverriegelung, Wegfahrsperren, ABS-Komponenten bis hin zu einen ökonomischen und ökologischen Motormanagement. Die unausweichlichen Folgen aus dieser Elektronifizierung der Kraftfahrzeuge sind ein sprunghaft angestiegener Kommunikationsbedarf zwischen den einzelnen intelligenten Einheiten innerhalb des Chassis: im Jahre 2005 werden bis zu 100 einzelne Mikrocontroller unter dem Blech ihren Dienst verrichten, die dann miteinander Daten austauschen müssen. Die Anzahl der Kommunikationspfade (auf gut deutsch: der Kabelbaum im Fahrzeug) muß daher stark ausgebaut werden: in den heutigen Wagen der Oberklasse sind Gesamtkabellängen von bis zu m mit einem Gewicht von bis zu 100 kg installiert und für die unterschiedlichen Modellreihen eines Herstellers müssen bis zu 600 verschiedene Kabelbaumtypen gefertigt werden. Das Ende der noch mit wirtschaftlich sinnvollem Aufwand realisierbaren traditionellen Verkabelungstechnik ist damit erreicht. Die Automobilindustrie, vor allem die deutsche, französische und US-amerikanische, begann daher nach neuen, modernen Kommunikationskonzepten zu suchen und fand die Bustechnik, die jedoch den speziellen Anforderungen der Kraftfahrzeugtechnik gerecht werden mußte: Nieder- und Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung im Bereich von 5 kbit/s bis 1 MBit/s für Komfort- und Sicherheitselektronik, sehr fehlersichere Datenübertragung mit einer Hamming-Distanz (HD) größer 4, optimiert für den Transfer von sehr kleinen Datenmengen, wie sie typischerweise bei Sensor-/Aktoranwendungen auftreten, d.h. Nutzdatenumfang pro Telegramm: 0 8 Bytes, einfach zu handhabende und sehr preisgünstige Protokollbausteine aufgrund einer Massenproduktion, einfachster Busaufbau (Busmedien, Bustopologie) zur Integration in das Chassis. Aber leider entwickelte hierzu jeder große Automobilkonzern sein eigenes Buskonzept (natürlich nicht kompatibel zu den Realisierungen der anderen Mitbewerber) und man versuchte dann diesen Hausstandard international durchzusetzen, d.h. man war bestrebt, das jeweilige Konzept in eine internationale Norm umzusetzen, um sich selbst mit dem Bussystem ganz klare wirtschaftliche Vorteile zu sichern. Jedoch ließ sich nicht alles problemlos standardisieren. Übrig geblieben sind im wesentlichen nur vier maßgebliche Bild 1. Absatzprognose für Chips [1] Realisierungen: CAN (Controller Area Network) in der Low- und High- Speed-Version, VAN, J1850 SCP und J1850 DLC, [1]. Das zwar bereits genormte VAN-Konzept und viele andere herstellerspezifische, nicht genormte Entwürfe wurden jedoch Anfang bis Mitte der 90er Jahre zugunsten von CAN aufgegeben, so daß CAN heute der weltweite Marktführer auf dem Gebiet der Automobil-Busse ist. In der Auto-Realität wurde CAN als Low- und High-Speed-Datenübertragungssystem ab 1992 zunächst in den PKWs der Oberklasse von Mercedes (S-Klasse) eingesetzt. BMW, Porsche und Jaguar folgten und heute setzen auch VW, Renault, Fiat, etc. den Bus in ihren Mittelklasse-Wagen ein. Fast gleichzeitig entdeckte aber auch die normale Industrie, speziell die Automatisierungs- und Produktionsbranche, die bereits aufgeführten Vorteile eines Automobil-Busses, insbesondere des Konzeptes, für das Messen, Steuern und Regeln und so findet man diesen Bus heute als universelles Kommunikationsrückgrad in SPS-Systemen, Roboter- und Motorsteuerungen, in der Gebäudesystemtechnik, in Aufzugsteuerungen, in der Laborautomatisierung, in Sensor- /Aktor-Systemen und so weiter wieder. Da mittlerweile das Protokoll in Silizium gegossen, d.h. in Chip-Form verfügbar ist, braucht sich der Anwender gar nicht mehr um irgendwelche Feinheiten der Kommunikation zu kümmern: Chips werden einfach als intelligente Peripherie-Bausteine in ein bestehendes oder neu zu entwickelndes Mikrocontroller- System integriert und fertig ist das 57

3 2 ISO / OSI Schichtenmodell Layer 8 Anwendung: "Gerät am Bus" Layer 7 "Application Layer" Layer 3-6 CANopen CAL: CAN Application layer for industrial Applications CAN - Bus - Layer DeviceNet DeviceNet Specifications Leer!! Smart Distributed System (SDS) SDS Specifications stem sinnvoll eingesetzt werden und internationale Anerkennung finden soll. Daher begann Anfang der 90er Jahre die International Standardization Organization (ISO) mit der weltweiten Normung der Automobil-Busse, wobei der Bus nach und nach eine immer stärkere Position einnahm. Die Grundlage für die Normungsaktivitäten auf dem riesigen Gebiet der offenen, herstellerneutralen Datenkommunikation ist das 7-schichtige ISO/OSI-Referenzmodell, [2]. Bei den Feldbussystemen, zu denen auch die Auto-Busse zählen, bleiben i.a. die Layer (Schichten) 3 bis 6 leer, so daß für den Bus nur die Layer 1, 2 und 7 näher spezifiziert wurden (Bild 2): Layer 2 "Data Link Layer" Layer 1 "Physical Layer" Bild 2. Der Bus im ISO/OSI-Schichtenmodell Produkt. Diese Eigenschaft der fast problemlosen Handhabbarkeit und die sinkenden Chip-Preise machen den Bus auch für den nicht-industriellen Praktiker hochinteressant, wenn es darum geht, kleine, dezentrale Kommunikationsnetze (Feldbussysteme) aufzubauen. Bild 1 zeigt die für sich sprechenden, prognostizierten Entwicklungszahlen für den weltweiten Einsatz von Chips, wobei als Kosten für einen kompletten Knoten von den Halbleiterherstellern die 1 US$-Marke angestrebt wird. LLC: Logical Link Control MAC: Medium Access Control gem. ISO Ergebnis: CAN 2.0 A CAN 2.0 B "Low-Speed CAN" ISO Spezifikationen "High-Speed CAN" ISO D IE N ORMUNG Versucht man die Struktur eines Kommunikationssystems allgemeingültig festzulegen, so ist es sinnvoll, sich zunächst einmal mindestens über vier grundlegende Punkte Klarheit zu verschaffen und diese dann in entsprechende Normen zu gießen : Wie sollen die einzelnen Teilnehmer des Kommunikationsnetzes physikalisch (elektrisch, logisch) an diesem Netzwerk angeordnet sein? Wie sieht also die Topologie des Netzwerkes aus? Wie sollen die Daten auf dem Datenübertragungsmedium (Kabel, Lichtwellenleiter, Luft für Funk- und Infrarot-Datenübertragung) aufgekoppelt und übertragen werden? Wie sind also Signalpegel, Steckerbelegungen, etc. zu definieren? Wie sehen die Regeln für den Datenaustausch zwischen den Teilnehmern aus? Wie sollen Datenübertragungsfehler vermieden, erkannt, korrigiert werden? Wie ist also das Datenübertragungsprotokoll zu gestalten? Wie erfolgt der Zugriff auf das Datenübertragungsmedium durch sendewillige Teilnehmer? Wie werden Konflikte gelöst, wenn mehrere en gleichzeitig etwas aussenden wollen? Hierbei geht es also um den Zugriff auf das Datenübertragungsmedium, um die sogenannte Arbitrierung. Für den reinen Empfangsfall ergeben sich in der Regel keinerlei Probleme: im Rahmen der Spezifikationen können fast beliebig viele Empfänger, am Datenübertragungsmedium angeschlossen, gleichzeitig problemlos alle Nachrichten abhören. Ganz generell gilt jedoch: in einem Kommunikationssystem dürfen zur selben Zeit nur ein einziger Sender, aber mehrere Empfänger aktiv sein. Diese Punkte (und noch einige mehr) müssen also eindeutig festgelegt werden, wenn ein Kommunikationssy- Layer 1: Physical Layer (Datenübertragungsmedium). Hier erfolgen die Festlegungen für das Datenübertragungsmedium (i.a. das Buskabel), für die Steckverbinder, für die Datenübertragungspegel und für die Sende- und Empfangsbausteine. Die zwei entsprechenden Normen hierzu sind: ISO : Low-Speed-CAN. Die Grundlage hierfür bildete eine Entwicklung, die die Firma Bosch Anfang der 80er Jahre in Deutschland begonnen hatte und die mit starker Unterstützung von INTEL (Umsetzung des Protokolls in Hardware-Chips) fortgeführt wurde. Low-Speed bedeutet hierbei, das Datenübertragungsraten von 5 kbit/s bis 125 kbit/s möglich sind. ISO11898: High-Speed-CAN. Hierbei werden nun Datenübertragungsraten bis zu 1 MBit/s unterstützt. Layer 2: Data Link Layer (Buszugriff und Fehlererkennung) Auf dieser Schicht wird festgelegt, wie (bei einem Sendewunsch) auf das Datenübertragungsmedium zugegriffen wird, wie ein Nachrichtentelegramm aufgebaut ist (Adreß-, Daten-, Steuer- und Fehlersicherungs-Felder) und wie das Datenübertragungsprotokoll strukturiert ist Die Festlegungen hierzu sind ebenfalls in der ISO11898 zu finden. Daneben wurden die Spezifikationen 1991 auf dem Layer 2 noch erweitert, so daß man heute aktuell von den beiden parallel existierenden Versionen CAN 2.0A und CAN 2.0B spricht, deren Gemeinsamkeiten und Unterschiede im zweiten Teil noch näher erläutert werden. Da sich das Konzept mittlerweile auf sehr vielen anderen Industriegebieten durchgesetzt hat, sieht die Situation auf dem Application Layer (Layer 7) vielfältig und etwas unübersichtlich aus, denn dieser Layer bildet ja die 58

4 direkte Schnittstelle zur eigentlichen Anwendung (Layer 8), zum eigentlichen Industrie-Gerät am Bus. Drei große Zweige für unterschiedliche Anwendungsgebiete werden zur Zeit weiterentwickelt: CANopen, DeviceNet und Smart Distributed System (SDS). Da diese Spezifikationen sehr umfangreich sind, wird hierauf in diesem Einführungsartikel nicht näher eingegangen. Allen Konzepten gemeinsam ist jedoch, daß sie auf den Bus-Spezifikationen für die Layer 1 und 2 aufsetzen. Gepflegt und weiterentwickelt wird CAN in Deutschland von der 1992 gegründeten CiA (CAN in Automation) -Nutzerorganisation, in der mittlerweile mehr als 280 namhafte Firmen aus vielen unterschiedlichen Bereichen gemeinsam zusammenarbeiten, um den Bus weiter zu verbreiten. Sehr detaillierte und weitergehende Informationen über CAN, CANopen, DeviceNet, SDS, etc. finden Sie daher auf der Internet-Homepage der CiA, [3] oder in [4]. D IE K ENNDATEN Die in den Normen getroffenen Festlegungen sollen nun etwas näher erläutert werden: Die Busankopplung (Physical Layer) umfaßt die Netzwerktopologie des Busses und die Ankopplung an das Busmedium. Hinter dem Begriff der Netzwerktopologie verbirgt sich der physikalische Aufbau des Kommunikationssystems, also wie sind die en am Datenübertragungskabel angeordnet. Der Bus verwendet hier die sogenannte Bus-Topologie, d.h. alle Teilnehmer sind an einer einzigen Zweidrahtleitung (Twisted-Pair-Kabel, geschirmt oder ungeschirmt) angeschlossen, die an ihren Enden mit den entsprechenden Busabschlußwiderständen versehen ist (Bild 3). Jede kann hierbei uneingeschränkt mit jeder anderen kommunizieren. Zur Ankopplung an das Busmedium wird die Sende-/Empfangsstufe eines Bus-Teilnehmers über zwei Anschlüsse, High (CANH) und Low (CANL) an das Buskabel angeschlossen (Bild 4). Bei der eigentlichen Datenübertragung werden aufgrund der hohen Störsicherheit Differenzspannungssignale verwendet, das heißt, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Busleitungen wird ausgewertet. In der ISO11898 sind zwei verschiedene Differenzspannungsbereiche für die Datendarstellung auf dem Bus festgelegt: der rezessive und der dominante Buszustand bzw. Buspegel. Daß man hier nicht mit den gewohnten logisch Bus-Abschluß-Widerstand 2 CAN - Bus - Leitung Bild 3. Die Bustopologie beim Bus 0 - und 1 -Zuständen arbeitet, hat ganz besondere Gründe und wird nachfolgend noch näher erläutert. Hier gilt nun zunächst: Ist die Spannungsdifferenz U D zwischen CANH und CANL höchstens 0,5 V (also 0,5 V), so liegt ein rezessiver Zustand vor, ist die Spannungsdifferenz U D zwischen CANH und CANL mindestens 0,9 V (also 0,9 V), so liegt ein dominanter Zustand vor. Die nominalen absoluten Pegel der Busleitung, das heißt, die Pegel der einzelnen Leitungen gegen die (lokale) Masse gemessen, zeigt die Tabelle Diese 12 Bus-Abschluß-Widerstand Spannung an...\\ Buszustand rezessiv dominant 0W2 CANH 2,5 V 3,5 V CANL 2,5 V 1,5 V Zulässige Spannungsdifferenz: U D = CANH - CANL Tabelle 1. Die nominalen absoluten Pegel der Busleitungen gegen Masse gemessen, gem. ISO11898 Bild 4. Die Ankopplung eines Teilnehmers an den Bus CAN H Teilnehmer U D ,5 V 0,9... 2,0 V CAN L angegebenen 0W

5 5 absoluten Werte sind in der Praxis natürlich noch mit Toleranzen versehen, so daß es zu den in der letzten Zeile angegebenen Werten für die zulässigen Spannungsdifferenzen kommen kann. Die Festlegungen für ISO (Low- Speed-CAN) sehen etwas anders aus, da aber die ISO11898 für High- und Low-Speed-CAN geeignet ist, werden heute hauptsächlich solche ISO Busankopplungen realisiert. Der praktische Anwender braucht sich nun jedoch keine besonderen Gedanken über den Aufbau einer solchen Sende-/Empfangsstrecke zu machen, denn von vielen Halbleiterherstellern gibt es bereits fertige Transceiver-Bausteine, die besonders in Bezug auf das EMV-Verhalten, den Platzbedarf und Busausdehnung 1 Reserviert 2 CAN L 3 GND 4 Reserviert Optional: Schirm Widerstandsbelag m 70 mω/m m <60 mω/m m <40 mω/m 600 m... 1 km <26 mω/m den thermischen Überlastschutz (bei Kurzschluß von CANH und CANL) optimiert sind und bereits genormte Signalpegel ausgeben. Man braucht nur noch die Busleitung anzuschließen und fertig ist 9 Buskabel 6 GND 7 CAN H 8 Reserviert 9 V+ (optionale externe Versorgung) Kabelquerschnitt 0,25...0,34 mm 2 AWG23, AWG22 0, ,6 mm 2 AWG22, AWG20 0,5... 0,6 mm 2 AWG20 0, ,8 mm 2 AWG Tabelle 2. Datenübertragungsrate, Buslänge, Buskabel und Busabschlußwiderstände [3] Bild 5. Die Belegung des Bus- Anschlußsteckers die Ankopplung. Es ist lediglich darauf zu achten, nach welcher Norm diese Bausteine arbeiten: ISO oder ISO11898, wobei man zunächst Bausteine nach der letzteren Spezifikation bevorzugen sollte (Anmerkung: natürlich gibt es auch andere geeignete Differenzspannungsverfahren, die für eine Signalübertragung geeignet sind, z.b. die RS485. Weitere Informationen zu solchen Ankopplungen findet man in [5]). Die wichtigsten Kernfragen, die man jetzt noch an den Bus stellen muß, sind: Welche maximale Busausdehnung kann man bei welcher Datenübertragungsrate erreichen? Wieviele Teilnehmer kann man an den Bus anschließen? Busabschlußwiderstand Max. Datenübertragungsrate 124 Ω (1%) 1 Mbit/s bei 40 m 127 Ω (1%) 500 Kbit/s bei 100 m 150 Ω bis 300 Ω 100 Kbit/s bei 500 m 150 Ω bis 300 Ω 50 Kbit/s bei 1 km Die Antworten auf diese Fragen sind nun wesentlich vom eingesetzten Buskabel abhängig. Tabelle 2 zeigt die wesentlichen Zusammenhänge für die gemäß ISO11898 maximale Anzahl von 32 en am Bus. Als Datenübertragungskabel sollte vorzugsweise Twisted-Pair-Kabel, geschirmt oder ungeschirmt, zu Einsatz kommen. Hierzu ein Beispiel: Sie wollen eine Datenübertragungsrate von 100 kbit/s auf einem Bus mit der Ausdehnung von 80 m realisieren. Dann sollten Sie ein Twisted- Pair-Kabel vom Querschnitt 0, ,6 mm 2 einsetzen und Busabschlußwiderstände von 127 Ω wählen. Weiterhin sollte der Widerstandsbelag der Leitung kleiner als 60 mω/m sein, was aber bei einem Querschnitt von größer 0,3 mm 2 erfüllt ist. Zu beachten ist noch die Länge der Abzweigleitungen, wenn ein Teilnehmer nicht direkt am Bus angeschlossen ist. Diese Stichleitungen sollten bei Datenübertragungsraten bis zu 250 kbit/s eine Einzellänge von max. 2 m und bei darüberliegenden Bitraten von max. 0,3 m nicht überschreiten. Die Gesamtlänge aller Abzweigleitungen sollte 30 m nicht übersteigen. Zum Abschluß der Betrachtungen zum Physical-Layer ist noch anzumerken, daß auch der sanschlußstecker und seine Belegung genormt ist (Bild 5). Im zweiten Teil der Serie werden wir Ihnen das Datenübertragungsprotokoll, einige interessante Bausteine und die praktische Realisierungen einer Busankopplungen näher vorstellen. Literatur: [1] W. Lawrenz (Hrsg.) CAN Controller Area Network Hüthig Verlag, 3. Auflage, 1999 [2] Phoenix Contact (Hrsg.) Grundkurs Sensor/Aktor-Feldbustechnik Vogel Buchverlag, 1997 (990060e) [3] Homepage der Nutzerorganisation CAN in Automation (CiA) [4] PRAXIS Profiline Controller Area Network Sonderpublikation des Vogel Verlags, 1998 [5] K. Etschberger (Hrsg.) CAN Controller-Area-Network Carl Hanser Verlag München, 1994 [6] A. Raab CAN - das Controller Area Network Elektor 6/1992, S. 20 ff. 60