1601 CAN Bus. Control Area Network Bus Grundlagen /6

Transkript

1 Die Information von jedem Sensor für alle Steuergeräte nutzbar zu machen. Den Aufwand an Verkabelung zu verringern. Die Ausführung von Befehlen zu überwachen und damit zuverlässiger zu gestalten. Den Fehlererkennungs- und Diagnosebereich zu erweitern. Eine universelle Schnittstelle zu bieten. Das waren noch Zeiten, als je ein Steuergerät die Zündung und ein anderes die Einspritzung regelte. Heute gibt es schon Fahrzeuge mit mehr als 50 Steuergeräten. Wenn nun mehrere davon die gleiche Information brauchen, sollte ein Sensor reichen. Dieser erhält ein Mini- Steuergerät (Controller), das die Daten über den CAN-Bus weitergibt. Das spart Kabel und ermöglicht eine Fehleranalyse, die sogar die Steckverbindungen einbezieht. Rein theoretisch würde für das ganze Auto eine groß dimensionierte Versorgungsleitung und - neben der vorhandenen Masse - eine dünne Steuerleitung genügen, die noch nicht einmal abgeschirmt sein müsste. Theoretisch deshalb, weil /6 Geschichte 1983 Beginn der Entwicklung 1985 Vorstellung durch Bosch und Intel 1987 Fertigstellung der Schnittstelle 1988 Chip von Intel steht zur Verfügung 1992 Erste CAN-Busse (Motor, Getriebe, Armaturenbrett) in Mercedes S-Klasse 2001 CAN-Busse für Fahrzeuge der unteren Mittelklasse Da nur besondere Chips mit Eingabe-, Ausgabeeinheit, ROM- und RAM-Speicher (Controller) auf das Netz zugreifen können, muss jeder Aktuator (z.b. die Rücklichteinheit) und jeder Schalter einen solchen Controller haben. Diese kosten in der Großserie zwar deutlich weniger, ihr Preis hängt jedoch auch von der Geschwindigkeit des Busses ab. Deshalb und wegen der Fülle von möglichen Aktionen wird es z.b. für die Komfortelektronik wohl immer langsamere und für die Motor- bzw. Sicherheitselektronik schnellere CAN-Busse geben. Außerdem gibt es z.b. die Video-Übertragungstechnik mit deutlich anderen Anforderungen an die zu übertragenen Datenmengen, für die der CAN-Bus nicht geeignet ist. die Datenübertragungskapazität des Busses begrenzt ist, verschiedene Geschwindigkeiten nötig sind, im Kfz-Bereich die (Daten-)Sicherheit besonders wichtig ist. Vorteile Das Gesamtsystem ist zuverlässiger. Es enthält z.b. weniger störanfällige Steckverbindungen. Verdrahtung weniger komplex und dadurch kosteneffektiver. Die Installation wird einfacher und Veränderung leichter möglich. Zusätzliche Elemente (z.b. Steuereinheiten) können hinzugefügt oder der Einbauort verändert werden. Die Diagnosefähigkeit des Systems wird entweder erst möglich oder verbessert. Es kann beinahe an jeder beliebigen Stelle in das System eingegriffen werden, um Daten auszulesen und/oder Parameter und evtl. sogar ganze Kennfelder zu ändern. Nachteile Der Software-Aufwand wird höher. Mehr Software macht Neuentwicklungen anfälliger. Der Aufwand an Digitalelektronik wächst.

2 Datenübertragung /6 Mit aller Vorsicht kann man die einfache Schaltung einer Rückleuchte oder gar einer Blinkleuchte als Übertragung von Daten bezeichnen. Dabei wäre die Plusleitung die Datenleitung. Der CAN-Bus hat zwar zwei Datenleitungen, funktioniert aber auch mit einer. Allerdings müsste die Spannung auf 5 Volt begrenzt werden und die Masse müsste als zusätzliche Leitung ausgeführt werden. Auch wäre nur eine wesentlich geringere Stromstärke nötig und damit ein entsprechender Kabelquerschnitt. Leider können die Rückleuchten nicht antworten und damit fehlt eine weiteres wichtiges Merkmal des CAN-Busses. Bleiben wir ruhig noch einen Moment bei dem Beispiel. Durch den Lichtschalter würde also ein Signal auf die Leitung (Bus) gegeben. Beim Blinkerschalter wäre es sogar ein Signal mit zwischen dominant und rezessiv wechselnden Bits. Wir können also davon ausgehen, dass 'auf dem Bus schreiben' bedeutet, zu einer bestimmten Zeit eine Spannung von 0 V nach 5 V zu erhöhen oder von 5 V nach 0 V zu verringern. Etwas 'vom Bus ablesen' bedeutet, die Spannung der Datenleitung(en) wiederum zum gleichen Zeitraum abzugreifen. Die zeitliche Vereinbarung muss genau eingehalten werden, d.h. um ein Bit zu übertragen, wird z.b. die Spannung von Sender zu einer ganz bestimmten Zeit eingeschaltet werden und auch eine ganz bestimmte Zeit lang gehalten. Wir reden in diesem Zusammenhang von 'Takten'. Eine Vorstellung von der Schnelligkeit der Vorgänge gibt die Taktrate beim CAN-Bus von 50 kbit/s, also Bits pro Sekunde oder 50 Bits pro Millisekunde. Da bleibt für das Setzen und Erkennen eines Bit gerade mal 20 Mikrosekunden ( s) Zeit. Und das ist noch die langsamste Version des CAN-Busses. Ein zeitlich genau abgestimmtes Handeln von Sender(n) und Empfänger(n) ist demnach besonders wichtig. Vor den eigentlichen Daten wird deshalb immer mindestens ein Bit gesandt, an dessen Flanken (Spannungsanstieg und - abfall) sich die anderen Teilnehmer auf eine gemeinsame Taktrate einpendeln können (Synchronisierung). Und wenn längere Zeit auf dem Bus nichts passiert, werden Datenpakete verschickt, deren einziger Sinn die Synchronisierung der Timer (Zeittaktgeber) der einzelnen Steuergeräte ist. Wichtig : Der CAN-Bus überträgt mit einer Übertragungsrate von 50 kbit/s bei 1000 m Leitungslänge bis 1 MBit/s bei 40 m Leitungslänge.

3 Datensicherheit /6 Wir wollen die Datenleitung des CAN-Busses mit der Leitung zur Rückleuchte jetzt einmal nur im Hinblick auf die Datensicherheit vergleichen. Eine Störung durch große magnetische Felder oder hohe Übergangswiderstände wirkt sich auf beide Systeme aus. Das Rücklicht wird etwas dunkler und von den 5 V-Spannungen bleiben vielleicht nur noch 4 V übrig. Dies ist in beiden Fällen noch unkritisch. Wäre aber jetzt statt der Leitung zum Rücklicht die vom Drehpoti im Tank zur Tankuhr betroffen, so könnte das schon unangenehmere Folgen haben. In der Digitaltechnik versucht man, solche Fehler grundsätzlich zu vermeiden. Wird durch eine Störung ein 5 V-Signal auf weniger als 3,5 V reduziert oder ein 0 V-Signal auf mehr als 2 V angehoben, so ist eine eindeutige Identifizierung nicht mehr möglich. Aus diesem Grund sind beim CAN-Bus zwei Datenleitungen, CAN_H(igh) und CAN_L(ow) vorhanden. Dabei überträgt die eine Leitung genau das umgekehrte Signal der anderen. Wenn also CAN_H ein dominantes Bit sendet, überträgt CAN_L ein recessives und umgekehrt. Jeder Empfänger auf dem CAN- Bus wertet immer nur die Differenz zwischen beiden aus. Wirkt jetzt auf die beiden Datenleitungen eine Störung, so werden beide um eine bestimmte Spannung verschoben, in Plus- oder Minusrichtung. Die Differenz aber bleibt gleich. Das sieht zunächst so aus, als ob beide Leitungen gleichberechtigt wären. Dann bliebe aber die Frage, warum die eine 'CAN_H' und die andere 'CAN_L' heißt. Pendeln beide, wie z.b. in einem Komfort-Datenbus, zwischen 0 und 5 Volt, so lässt sich diese Frage nicht beantworten. Jedoch in anderen Bussen (z.b. für den Motor) bewegt sich CAN_H zwischen 2,5 und 3,75 Volt und CAN_L zwischen 1,25 und 2,5 Volt. Wenn jetzt noch jedes Steuergerät das Signal nur noch nach der Differenz der Spannungen auswertet, ist es egal, ob die Leitung von positiven oder negativen Ladungen beeinflusst wird.

4 Vorfahrt achten /6 Obwohl auf dem CAN-Bus eine besondere Ordnung herrscht, können nach einer Pause im Prinzip alle gleichzeitig mit dem Senden von Daten beginnen. Dabei kann jedes Steuergerät nicht nur senden, se empfängt auch laufend die Daten vom CAN-Bus. Aber anders als bei der menschlichen Kommunikation stoppen diejenigen mit der unwichtigeren Nachricht sofort nach Aussendung des Vorrang-Feldes. Gesetzt den Fall, (fast) alle Steuergeräte hätten per Zufall exakt zur gleichen Zeit mit dem Senden einer Nachricht begonnen. Nach dem Start-Bit folgt das Vorrang-Feld (Arbitration- Field). Hier wird entschieden, welche Nachricht im Moment die wichtigste ist. Es besteht aus 11 oder 29 Bits. Unter einem Bit wollen wir ab jetzt die Zeit verstehen, die für einen kurzen 5 V- Spannungsanstieg zur Verfügung steht. Ist ein solcher vorhanden, so nennt man das Bit dominant, bleibt er aus, so wird es als rezessiv bezeichnet. Bei 11 Bits gibt es also 11 Mal die Chance auf ein dominantes Bit. In dieser Zeit müssen natürlich auch die Leseeinheiten genau 11 Mal auf den Datenbus zugreifen. Deshalb ist das Synchronisieren am Anfang so wichtig. Wird also die Spannung während dieser Zeit kein einziges Mal auf 5 V erhöht, so registrieren alle der Reihe nach 11 rezessive Bits. Bei der softwaremäßigen Ausstattung erhält jede mögliche Nachricht eine Nummer (11 oder 29 Bit). Mit dominanten Bits auf höheren Stellen (von rechts nach links) bestimmt der Entwickler in diesem Stadium schon die Wichtigkeit der Nachricht. In unserem angenommenen Fall schreiben jetzt (fast) alle Steuergeräte gleichzeitig Bits in das Vorrang-Feld und kontrollieren dies durch gleichzeitiges Lesen. Jetzt enthält aber die wichtigere Nachricht mindestens ein dominantes Bit mehr und überschreibt die rezessiven. An dieser Stelle erkennt das Steuergerät mit dem rezessiven Bit einen Unterschied zwischen dem geschriebenen und dem gelesenen Bit und stoppt den Sendevorgang.

5 Zusatzinformation /6 Wichtigere Daten (z.b. des ABS-Systems) können unwichtigere Daten (z.b. Türschlosssteuerung) kurzzeitig verdrängen, weil mit der Adresse (dem Identifier) nicht der Teilnehmer sondern das zu übermittelnde Datenpaket eindeutig bezeichnet wird. Und dieser Identifier enthält gleichzeitig Informationen, wie wichtig diese Nachricht ist. Je wichtiger die Nachricht, desto mehr dominante Bits hat er an vorderer Stelle. Sie überschreiben die rezessiven. Dies merkt der Absender der unwichtigeren Nachricht und stoppt seine Ausgabe. Nach dem Ende dieser Nachricht darf er es erneut versuchen. Nachrichten mit höchster Priorität können ohne Zeitverzögerung abgesetzt werden. Die Identifier werden beim Aufbau des CAN- Busses durch den Entwickler vergeben und enthalten Lücken für später evtl. noch zu integrierende Nachrichten bzw. Sender/Empfänger. Reichen für die Anzahl der möglichen Nachrichten Identifier mit 11 Bit Länge nicht aus, so sind auch 29 Bit als Identifier-Länge möglich. Da die Identifier- Länge durch ein Bit im nachfolgenden Steuerfeld gekennzeichnet wird, ist hier der Vorrang des kürzeren vor dem längeren Identifier festgelegt. Datenpakete mit unterschiedlich langen Identifiern können also über den gleichen Bus gesendet werden, weil der Teilnehmer mit dem langen Identifier spätestens beim Lesen des Steuerfeldes stoppt. Ein bestehender CAN-Bus kann allein durch Änderung der Software für die bestehenden Teilnehmer auf die Aufnahme neuer Nachrichten bzw. Sender/Empfänger vorbereitet werden. Bei genügend großen Lücken ist noch nicht einmal das nötig. Im CAN-Bus können nicht nur Nachrichten versandt, sondern auch angefordert werden. Einzelne Teilnehmer (z.b. das Steuergerät) können also bei anderen (z.b. dem Controller des Temperaturfühlers) dessen Werte erfragen. Dabei haben versandte Nachrichten den Vorrang. Nachrichten können nicht nur unterschiedlich lange Identifier, sondern auch unterschiedlich lange Datenpakete enthalten. Die Länge des Datenpakets wird im Steuerfeld angezeigt. Das Datenfeld folgt diesem. Ein zusätzliches Bit, das zusammen mit dem Identifier versandt wird, kennzeichnet das Datenpaket als Nachricht oder Anforderung. Fast wichtiger noch als das Datenfeld ist die folgende Datensicherung. Die Daten, die hier übertragen werden, dienen allein der Überprüfung auf korrekten Empfang des vorherigen Datenfeldes. Z.B. die Quersumme aller Daten könnte hier ausgegeben werden. Alle Teilnehmer würden in diesem Fall zusätzlich addieren und dann vergleichen. Da sich dabei aber zwei Fehler aufheben können, sind die beim CAN-Bus angewandten Prüfmethoden wesentlich komplizierter. So sind also alle Möglichkeiten der Fehlererkennung sowohl des Senders als auch aller Empfänger gegeben. Denn alle Empfänger müssen den richtigen Empfang quittieren oder ein Fehlerprotokoll senden. Haben nach einer bestimmten Zeit nicht alle quittiert, so wird die Nachricht wiederholt. Im CAN-Bus sind also auch Möglichkeiten eingebaut, nicht mehr funktionierende Teilnehmer beim nächsten Nachrichtenversand zu erkennen und entsprechend zu reagieren. Dass jeder Teilnehmer zumindest am Beginn einer Nachricht gleichzeitig schreibt und liest, ermöglicht ihm die Erkennung eigener Fehler. Er kann sich selbst vom Bus abschalten. Alle nicht betroffenen Teile des CAN-Busses funktionieren, solange die Nachrichten fehlerfrei ankommen.

6 Zusatzinformation (Fortsetzung) Sogar der Zustand, dass sich bei einem Controller die Nachrichten stapeln, weil er nicht senden darf (Überlastung), kann den anderen Busteilnehmern angezeigt und damit als Fehler abgespeichert und z.b. durch einen angeschlossenen Werkstatttester ausgelesen werden. Zusätzlich stehen auf der Hardwareseite drei Leitungskombinationen zur Verfügung. Das Signal zwischen CAN-Low und Masse verhält sich genau umgekehrt zu dem Signal zwischen CAN-High und Masse. Große Störspannungen können also nur eines der beiden Signale abschwächen. Sie würden gleichzeitig das andere sogar noch verstärken. So sind Fehlinformationen nahezu ausgeschlossen /6 Üblich sind heute mehrere CAN-Busse mit je nach en verschiedenen Geschwindigkeiten. Sogenannte Gateways können an jedem der CAN-Busse angeschlossen sein und Nachrichten umsetzen. So braucht z.b. ein Werkstatttester nur einen CAN-Bus anzuzapfen, um Informationen aus allen CAN-Bussen zu erhalten oder sie dorthin zu transportieren (z.b. Neuprogrammierung). Inzwischen hat sich eine gewisse Normung der über den CAN-Bus transportierten Messwerte durchgesetzt. So wird ein Lastsignal nicht nur für den Sender und einen Empfänger lesbar. Da es die Last in Nm enthält, können unterschiedliche Empfänger das Signal weiter verarbeiten.