Praktikum Fahrzeugsysteme

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1 Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Praktikum Fahrzeugsysteme Versuchsunterlagen Dirk Schneider c Fachgebiet Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik

2 5 2 Controller Area Network (CAN) 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network CAN = Controller Area Network ist ein Kommunikationsprotokoll, das eigentlich nur für den Austausch von Informationen innerhalb eines Kraftfahrzeuges gedacht war. So sollte damit z. B. der Schaltvorgang verbessert werden, indem das Getriebe dem Motormanagement über CAN einen Schaltwunsch mitteilt und die Motorelektronik daraufhin den Drehmomentensprung durch geeignete Anpassung der Drosselklappenstellung verhindert. CAN wurde also konzipiert, kurze Botschaften unter Echtzeitbedingungen auszutauschen. [1] Verteilte Systeme Durch die immer komplexer werdende elektronische Ausrüstung von Fahrzeugen steigt der Bedarf nach Informationsaustausch zwischen den Systemen und Steuergeräten immer schneller. Um die Verkabelung möglichst einfach und kostengünstig zu halten, werden alle beteiligten Systeme mit einem Bus-System verbunden, das für die Datenübermittlung zuständig ist. Dies macht es möglich, dass jedes System über wesentliche Messwerte und Zustandsinformationen verfügen kann, ohne jeweils einen eigenen Sensor für das betreffende Signal zu haben. Diese Art der Realisierung des Informationsaustausches impliziert aber auch, dass die beteiligten Knoten über eine gewisse Intelligenz verfügen müssen, um Informationen vorverarbeiten zu können. Beispielsweise ist es ausreichend, eine gemessene Temperatur nur bei Über- bzw. Unterschreitung eines Grenzwertes an den Rest des Systems zu übertragen. Wenn nun also die gemessene Temperatur vom aufzeichnenden System vorverarbeitet, also mit den Grenzwerten verglichen wird, erspart dies dem Gesamtsystem die unnötige Übertragung und den angeschlossenen Rechnern die Auswertung und somit Rechenleistung. Der grundsätzliche Aufbau eines verteilten Systems, wie es oben beschrieben ist, ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Jeder an das Bus-System angeschlossene Knoten besitzt einen Prozessor, der für die Kommunikation sowie die Datenverarbeitung zuständig ist und kann über weitere Subsysteme - wie Sensoren und Aktoren - verfügen. Die Kommunikation der Knoten erfolgt über den Bus, dies erfordert natürlich Mechanismen, die die Adressierung und den Buszugriff regeln Protokolldetails Die Standards ISO [3] und ISO [4] beschreiben CAN nach dem OSI Schichtenmodell. Zusätzlich dazu gibt es noch zwei Spezifikationen (CAN 2.0A und CAN 2.0B [5]), die

3 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 6 Knoten 1 Knoten 2 Knoten n CAN-Bus Abbildung 2.1: Verteiltes System (vgl. [2], [1]) ein eher hardwareorientiertes Modell des CAN beschreiben. Der wesentliche Unterschied zwischen CAN 2.0A und CAN 2.0B liegt in der Länge des Identifierfeldes und somit in der max. möglichen Anzahl unterschiedlicher Telegramme. Neben Telegrammen, die der Datenübermittlung dienen (Data Frame), gibt es noch drei weitere Arten von Telegrammen: Remote Frames, die einen Data Frame anfordern, Error Frames, die einen Fehlerzustand auf dem Bus signalisieren sowie Overload Frames, die eine zusätzliche Verzögerung zwischen zwei Data Frames bilden. Data Frames und Remote Frames werden durch einen Zeitraum ohne Busverkehr getrennt, den sogenannten Interframe Space (entspricht 3 rezessiven Bits). CAN 2.0A beschreibt Telegramme mit 11 Bit langen Identifiern (standard Frames), während CAN 2.0B solche mit 29 Bit-Identifiern (extended Frames) definiert. Der Aufbau der Telegramme ist in Abbildung 2.2 und Abbildung 2.3 erläutert. Die logische 0 stellt im CAN den dominanten Pegel dar, die logische 1 den rezessiven. Interframe Space Daten Rahmen - Data Frame Interframe Space Arbitration Field Control Field Data Field CRC Field End of Frame 11 / 29 bit 6 bit 0-8 Bytes 16 bit SoF ACK 1 bit 2 bit 7 bit Abbildung 2.2: Aufbau des CAN-Datenrahmens Die Felder in dem oben dargestellten Rahmen haben folgende Bedeutung:

4 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 7 Standard Frame S o F Arbitration Field Control Field Data Field R I 11 bit Identifier r T D DLC 0 RE Extended Frame S o F Arbitration Field Control Field Data Field S I R 11 bit Identifier r RD 18 bit Identifier r T DLC 1 0 RE R Abbildung 2.3: Arbitration und Control Field Start of Frame (SOF) Markiert den Anfang eines Datenrahmens und besteht aus einem dominanten Bit (logisch 0). Arbitration Field Enthält den Identifier und Informationen über die Art des Telegramms. Bei einem Standardtelegramm besteht der Identifier aus 11 Bit, Extendedtelegramme haben 29 Bit Identifier. Die Übertragung des Identifiers beginnt mit dem höchstwertigen Bit (MSB). Bei Identifiern kleiner als 0x7FF werden vor das MSB Nullen eingefügt. Beispiel: ID=0x0D: frame-identifier = RTR (Remote Transmission Request Bit): dominant = Datenframe, rezessiv = Remote Frame. Es zeigt an, ob es sich um ein Datentelegramm (dominant) oder eine Sendeaufforderung handelt (rezessiv). Control Field Besteht aus 6 Bit, die über das Format (Standard oder Extended) und die Anzahl der belegten Datenbytes informieren. IDE (Identifier Extension Bit): (dominant = Standardframe, rezessiv = Extendedframe). Die Länge beträgt ein Bit. r0 ist für spätere Verwendung reserviert, das Bit wird dominant gesendet. DLC (Data Length Code): Bestimmt die Anzahl der folgenden Datenbytes. Die Länge beträgt vier Bits. Data Field Besteht aus den zu übertragenden Daten. Das DF kann zwischen 0 und 8 Bytes Nutzdaten enthalten. CRC Field Das CRC-Field besteht aus zwei Teilen, der Prüfsequenz (CRC sequence), mit deren Hilfe der Empfänger überprüfen kann, ob die Nachricht verfälscht worden ist, und dem rezessiven CRC-delimiter (CRC-Begrenzungsbit). Die Prüfsequenz hat eine Länge von 15 Bit, direkt danach wird der Delimiter (ein Bit) gesendet. ACK Field Besteht aus 2 Bit. Der Sender einer Nachricht schreibt zwei rezessive Bits auf den Bus, der Empfänger einer Nachricht schreibt als Empfangsbestätigung ein dominantes Bit während des ersten rezessiven Bits.

5 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 8 EOF kennzeichnet das Ende des Datenrahmens (End-of-Frame) und besteht aus sieben rezessiven Bits. Da die Bits in CAN-Telegrammen im NRZ-Verfahren (Non Return to Zero) kodiert sind, wird mit dem Datenstrom keinerlei Taktinformation übertragen. Damit können bei der Übertragung einer großen Anzahl von gleichen Bits Probleme mit der Synchronisation der Busteilnehmer auftreten. Daher werden in den Datenstrom zusätzliche Bits, sog. Stuff-Bits eingefügt, die einen Flankenwechsel erzwingen. Nach fünf gleichen Bits wird dazu je ein komplementäres Stuff-Bit eingefügt, die geschieht unabhängig vom folgenden regulären Bit. In den EOF Block werden keine Stuff-Bits eingefügt. Beim Empfänger müssen diese zusätzlichen Bits natürlich aus dem Datenstrom wieder entfernt werden, bevor das Telegramm dekodiert wird. Stuff-Bits werden in alle Felder zwischen dem SOF und der CRC-Prüfsumme inklusive dieser beiden eingefügt. Der Buszugriff wird über die sog. zerstörungsfreie bitweise Arbitrierung geregelt. Dabei beginnen mehrere Busteilnehmer gleichzeitig zu senden und überwachen während des Sendezugriffs auch den Buszustand. Sendet nun ein Busteilnehmer ein dominantes Bit, während ein zweiter ein rezessives Bit sendet, lesen beide das dominante Bit. Der Teilnehmer, der das rezessive Bit gesendet hat, zieht sich daraufhin vom Bus zurück. Die Abbildung 2.4 verdeutlicht das beschriebene Prinzip. +5V Bus rezessiv dominant Bus S1 S2 S3 S1 S2 S3 S2 verliert S3 verliert Abbildung 2.4: Busleitung und Arbitrierungsprinzip In der Abbildung 2.4 gewinnt Teilnehmer S1 den Arbitrierungsprozess und kann seine Botschaft senden, die beiden anderen Teilnehmer müssen warten, bis der Bus wieder frei ist und können dann erneut versuchen, das Zugriffsrecht auf den Bus zu bekommen. Während ein Teilnehmer sendet, kann kein anderer schreibend auf den Bus zugreifen, Ausnahmen von dieser Regel gelten lediglich für das Arbitrierungsfeld und das ACK-Bit. Dieses Prinzip der Buszugriffsregelung ist sehr effizient, da das Telegramm des Teilnehmers, der den Arbitrierungsvorgang gewinnt, nicht verloren geht, sondern direkt übertragen wird. Durch die ereignisgesteuerte Datenübermittlung kann allerdings nicht garantiert werden, dass ein bestimmtes Telegramm in-

6 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 9 nerhalb einer bestimmten Zeitspanne gesendet werden kann, da es immer möglich ist, dass ein Telegramm mit höherer Priorität eine erneute Arbitrierung gewinnt Physikalische Highspeed CAN-Schnittstelle Die physikalische Highspeed CAN-Schnittstelle ist in ISO beschrieben. Darin ist eine Busleitung als Zweidrahtverbindung (CANH und CANL) beschrieben, die eine Nennimpedanz von 120Ω aufweist. Der Bus ist an beiden Enden mit je 124Ω abzuschließen, die Busteilnehmer (Knoten) müssen in der Lage sein, eine Spannungsdifferenz von min. 1, 5V an 60Ω zu erzeugen. Die maximale Übertragungsrate beträgt 1 MBit/s, die maximale Buslänge liegt je nach Übertragungsrate zwischen 40 und 1000 m. Die Spannung der beiden Leitungen CANH und CANL gegen Masse ist in Abbildung 2.6 dargestellt. Der rezessive (logisch 1) Zustand des Busses soll von den Busteilnehmern erkannt werden, wenn die Spannung an CANH nicht größer ist als CANL +0, 5V. Liegt der Spannungspegel an CANH mindestens bei CANL +0, 9V, soll der dominante (logisch 0) Zustand erkannt werden. Knoten1 Knoten2 CANH 124R 124R CANL Abbildung 2.5: Busleitung Die Schaltung in der Abbildung 2.7 zeigt eine einfache Transceiverstufe, die für Empfang und Senden von CAN-Botschaften auf der physikalischen Ebene zuständig ist. Im rezessiven Zustand sind beide Transistoren gesperrt, die Differenzspannung zwischen den beiden Busleitungen liegt dann bei 0V. Die Pegel des dominanten Zustandes werden durch zwei aktive Transistoren gebildet. An CANH liegen dann 3, 5V, an CANL 1, 5V, jeweils bezogen auf Masse. Die Differenzspannung beträgt also ca. 2V Physikalische Lowspeed CAN-Schnittstelle Die Lowspeed Variante der CAN-Schnittstelle ist in ISO beschrieben und weicht von der oben dargestellten Schnittstelle ab. Dieser Standard ist fehlertolerant ausgelegt, so dass verschiedene Leitungsfehler erkannt und behandelt werden können. Die maximale Datenrate

7 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 10 U[V] 3,5 CANH 2,5 1,5 CANL rezessiver Zustand dominanter Zustand rezessiver Zustand t Abbildung 2.6: Buspegel +5V CANH CANL Abbildung 2.7: Transceiverstufe beträgt 125 kbd. Hier wird eine elektrisch kurze Leitung 1 vorausgesetzt, damit entfällt die Notwendigkeit der Busterminierung, da die Leitungsreflexionen vernachlässigt werden können. Ohne Abschlusswiderstände können die Bustreiber mit geringerer Leistung arbeiten und weisen damit eine wesentlich geringere Stromaufnahme auf. Während bei der Highspeed Schnittstelle nur der dominante Buszustand durch eine aktive Differenzspannung gekennzeichnet ist und die (kleine) Differenz zwischen den beiden Leitungen im rezessiven Zustand aus Leitungswiderständen resultiert, werden hierbei beide Zustände durch aktiv getriebene Differenzspannungen dargestellt. Die Vorspannung der Leitung, die für den re- 1 Von einer elektrisch kurzen Leitung spricht man, wenn die Leitungslänge 1/10 der Wellenlänge λ nicht überschreitet (l < 0,1 λ).

8 2.1 Einführung: CAN - Controller Area Network 11 U[V] 5,0 CAN_L CAN_L 3,6 CAN_H 2,5 1,4 CAN_L CAN_H CAN_H rezessiver Zustand dominanter Zustand rezessiver Zustand t Abbildung 2.8: Buspegel beim Low-Speed CAN zessiven Pegel nötig ist, wird hier nicht durch Busabschlüsse, sondern durch die Busteilnehmer erreicht. Folgende Leitungsfehler werden vom Standard als behandelbar spezifiziert: Unterbrechung einer der beiden Leitungen CANH oder CANL Kurzschluss zwischen CANH und VCC oder GND Kurzschluss zwischen CANL und VCC oder GND Kurzschluss zwischen CANH und CANL Die Fehler werden von den Leitungstreiberbausteinen durch Vergleich der beiden Busleitungen miteinander und mit den Betriebsspannungen erkannt und durch Abschalten der fehlerhaften Leitung behoben. Der Busbetrieb kann so aufrechterhalten werden, die Störanfälligkeit des Systems wird im Fehlerfall natürlich größer.[6]

9 2.2 Einführung: CANalyzer Einführung: CANalyzer Features/Advantages CANalyzer is the universal analysis tool by Vector Informatics for networks and distributed systems. This product makes it easy to observe, analyse and supplement data traffic on up to 32 CAN channels as well as other channels e.g. for LIN, MOST or FlexRay. With powerful functions and user-programmability, all needs are covered from simple network analyses to advanced troubleshooting of complex problems. CANalyzer is controlled from a graphic block diagram, which depicts data flow from the bus over the PC interface to the various screen evaluation windows and to the log file. The system is parameterised in this block diagram. Additionally the user may place function blocks on the diagram and configure them, e.g. Filter, Generator and Replay blocks Application Areas CANalyzer covers all types of implementations in an ideal way from a startup system for training purposes to powerful analysis and emulation systems for any complex applications. For example, it is possible to place a Replay block in the Send Branch to play previously recorded data traffic of a functional bus system back onto the bus. By placing a filter after this it is possible to shut out specific portions of the data traffic (e.g. replies from a sensor). This is a perfect test environment for a sensor in the laboratory. We can also use CANalyzer as a gateway between two CAN domains, or for emulation of single bus modules Cables To connect the CANalyzer hardware to a CAN bus, two different cables exist, which are used depending on the bus type. For connections with high speed busses, the cable with the number 251 is used, in low speed networks, the cable with the number 1054 is appropriate General Window Menu bar Used to select basic functions. Toolbar Used for quick selection of important commands and also contains status indicators for the number system being used (decimal or hexadecimal) and to display keyboard entries made during the ongoing measurement.

10 2.2 Einführung: CANalyzer 13 Abbildung 2.9: General Window - CANalyzer Measurement setup The measurement setup displays the program s data flow. All options are set in this window for parameterizing a measurement or evaluation. Trace window Bus activities are recorded here. The user can scroll in this window after a measurement has been completed. Statistics window The mean transmit frequencies of messages are displayed as line spectra above the identifier axis in this window. As an option, the user can toggle over to mean transmit spacing. The window can be zoomed for detailed evaluations. Data window Preselected data segments of messages can be displayed here. Graphics window Graphic representation of signal time responses, which are displayed in a X-Y diagram above the time axis. After the end of measurement a measurement cursor and a difference cursor are provided, with which you can examine the coordinates of all measurement points or differences between two measurement points precisely. Write window Important information on the progress of the measurement can be output here (e.g. triggering of logging function). Furthermore, all outputs that the user places with the Write command in CAPL programs are written to this window.

11 2.2 Einführung: CANalyzer 14 Bus statistics window Hardware-related information such as number of data and remote frames, error frames and bus load are displayed here. Availability of this information depends the CAN PC-card being used. Status bar The names of the active configuration file and the database being used are displayed here Acceptance Filtering With all BasicCAN controllers on the PC card (SJA 1000/82C200/82527/72005) a mask controls which messages will be received. For example, the SJA 1000 has one acceptance filter for standard identifiers and one for extended identifiers, and it expects separate acceptance mask and acceptance code. The acceptance mask indicates which bit of the ID should be compared with the acceptance code. If the bit is 1 in the mask, then that particular bit is irrelevant for the comparison. If it is 0, that bit of the ID is compared with the corresponding bit of the acceptance code. If these two bits are identical, the message is received; otherwise it is filtered out. Both the mask and code are entered as hexadecimal numbers. Abbildung 2.10: Acceptance Filtering Instead of entering the mask and code directly, you may program acceptance filtering in CANalyzer using a logical mask (Acceptance filter for standard identifiers or Acceptance filter for extended identifiers). You can enter one of the values 0, 1 or X for each bit in this mask. A message occurring on the bus is only received if all mask bits given as 0 or 1 agree with the corresponding message bits. Bits shown as X are not utilized in the comparison ( don t care ). The

12 2.2 Einführung: CANalyzer 15 values of the acceptance mask and acceptance code are automatically calculated and displayed after inputting the logical mask Configuration of BUS Parameters In the popup menu you initially select bus parameters for the first controller CAN 1 and first set the baud rate in the configuration dialog. The baud rate selection button takes you to the baud rate direct selection dialog, where you enter the desired value. Abbildung 2.11: Channel Configuration This makes sense for both high-speed and low-speed buses. The CANalyzer recommends default values for the controller registers. When you do this - besides the transmission speed of 100 kbd - you also implicitly define other controller parameters (Sampling point, BTL cycles, and synchronization jump width). Accept the parameters with [OK] Trace window All messages arriving at the input of the Trace block are displayed as text lines in the Trace window. On the left hand side of the Trace Window, we can see the timing column. By using this part, timing considerations and related time based measurements can be done. The figure shows an example of a Trace window of CAN. Depending on the specific CANalyzer option used, different columns are shown. A number of other events are output in the Trace window:

13 2.2 Einführung: CANalyzer 16 Abbildung 2.12: Trace window Error frames When error frames occur a message will appear in the Trace window. Environment variables If the value of an environment variable changes, the time, name of the environment variable and new value are displayed. You can activate or deactivate the display of environment variables in the configuration dialog for the Trace window. The Trace Window offers several views which either can be placed freely - together as one separate window - or be shown within the Trace Window (docked). There are tabs to switch between the following different views: Detail view (replaces the Trace-Watch-Window) Difference view (for direct comparison of different events) Statistic view (on signal values) (several events can be selected and examined statistically) The offline filter provides supplementary filtering of the recorded messages in the Trace Window. You can start this function with the Event filtered command in the context menu of the Trace Window Graphic window The Graphics windows serve to display signal responses over time. As was the case for the Data block, if a symbolic database is used you can have the values of signals specified there displayed directly as physical variables. For example, the engine speed response could be viewed in units of RPM or the temperature pattern over time could be viewed in degrees Celsius.

14 2.2 Einführung: CANalyzer 17 Abbildung 2.13: Graphic window Signal-time responses are displayed graphically in the Graphics window. They are displayed in an X-Y diagram above the time axis. The measurement data remain in the Graphics window after a measurement stop and can be examined using special measurement cursors. The Graphics window has a legend in which the selected signals are shown with their value ranges and colours. It also has a toolbar from which you can easily call the most important measurement functions. Both the legend and toolbar can be configured in the window s popup menu and can be enabled or disabled from there. In the Graphics window there is exactly one active signal identified by inverted font in the legend. You can make a signal the active signal using the Tab key, by Page Up/Down or by clicking the signal name with the mouse. If Single-signal mode is enabled, all commands - such as Measure, Zoom and Scroll - refer to the active signal. In Multisignal mode the commands refer to all signals of the Graphics window Control of the Measurement Setup Measurements and evaluations are primarily configured in the measurement setup window which shows CANalyzer s data flow plan for the particular operating mode. Mouse Operation: All blocks and some images in the active measurement setup window are mouse sensitive. When selected by clicking the left mouse button, the element preselected in this manner is identified by a frame as the Active Element. When the right mouse button is then clicked, a popup menu appears in which the object is configured by the methods described above. As an alternative, the configuration dialog for the active block can be called directly by double clicking with the left mouse button.

15 2.2 Einführung: CANalyzer 18 Abbildung 2.14: Measurement setup window Keyboard Operation: When the measurement setup window is active, if <Tab>, <Shift-Tab> or one of the cursor keys is activated, the preselect frame around the currently active element is indexed forward. <Tab> results in forward indexing (<Shift-Tab>: Reverse indexing) of the internal processing sequence. The cursor keys index forward to the next closest element geometrically in the direction of the arrow. When <F10> is activated the popup menu of the active element appears. As an alternative, the Enter key can be used to call the configuration dialog of the active block directly. The spacebar can be used to deactivate the preselected function block in the measurement setup; it can be reactivated by pressing the spacebar again. With <Ctrl- F6> and <Ctrl-Shift-F6> you can bring any opened CANalyzer window to the foreground and activate it. In the following subsections, parts of Measurement Setup Window will be explained Generator Block The purpose of the generator block is to create messages for transmission. Trigger conditions and a transmit list are defined for this purpose. A received message, a key press or a time period can be entered as a trigger condition. The trigger conditions can also be used in combination. In the transmit list, messages (and error frames) are entered in the sequence in which they are to be transmitted. Whenever a trigger condition occurs the next message is transmitted. When the end of the list is reached, transmission may resume at the start of the list, depending on the configuration. Since generator blocks can be configured to be very elaborate, the popup menu offers you the option of saving a generator block as a file and later reloading it, possibly from a

16 2.2 Einführung: CANalyzer 19 different configuration. As a result, you can easily exchange generator blocks between different configurations. Generator blocks appear in the data flow plan as small blocks with the label G. Abbildung 2.15: Generator block To have a generator block send data onto the bus, you must insert it in CANalyzer s transmit branch. If you insert it in the evaluation branch the data will indeed be sent to the evaluation blocks to the right and be displayed in the appropriate windows. However, they will not reach the bus due to the left-to-right directional data flow. Configuration of Transmit List: In the popup menu select the item Transmit list or double click the generator block to create the list of messages to be transmitted: When one of the trigger conditions occurs, the next element of this list is transmitted. When the end of the list is reached the program resumes with the first element if the run mode has been set to cyclic. The list may also consist of only one element. Nine lines are displayed in the dialog box. The active line - to which the dialog buttons refer, is identified by the symbol at the beginning of the line. The active line is shifted automatically by activating the <TAB> key or by clicking the dialog entry boxes with the mouse. Each line of the list consists of 11 columns. In the first column you enter the desired identifier. The DLC field defines the number of data bytes in the message. After that come the fields for data bytes. Only the number of bytes specified by the DLC is accepted. The rest are ignored. The last column is a combination box for selecting the controller by which the message is to be transmitted.

17 2.2 Einführung: CANalyzer 20 Abbildung 2.16: Generator Send List Filter Block The volume of data can be selectively reduced by using the filter block. Toggling between a pass filter and a stop filter will pass or block those identifiers and/or identifier ranges that are specified. This is done with the button Filter type. All messages of a network node can be filtered as well. In addition, the message type affected by the filtering function can be set for the identifier, as well as whether filtering should also apply to error frames. The filter configuration is lost when a filter block is removed from the measurement setup (by choosing the command Delete this node in the popup menu or Del ) Interactive Generator Block The purpose of the interactive generator block is to generate and transmit messages. Messages can also be configured and interactively transmitted during a measurement (Online). This makes the interactive generator block especially well suited for influencing a measurement in a quick and improvised way. In many cases, with the interactive generator block you can achieve your goal without the use of traditional generator blocks and without CAPL blocks. Interactive generator blocks appear in the data flow plan of the measurement setup as small blocks with the label IG. Just like traditional generator blocks they are permeable to all data in the data flow diagram. That is, they do not filter the data flow like filter blocks or CAPL blocks do; rather they

18 2.2 Einführung: CANalyzer 21 Abbildung 2.17: Filter Block act in a purely additive manner. The configuration dialog of the IG is subdivided into a Transmit List (upper half of window) and a Signal List (lower half of window). In the Transmit List you can select individual messages and configure them. Assigned to each message is a Signal List in which signal values can be configured. All input boxes are explained in the status bar at the lower border of the dialog. The explanation is always shown for the currently selected box entry. Transmit List: The list of messages to be sent (Transmit list) is available in two views: Rows and All Columns. In the Rows view the most important columns of the transmit list are summarized in an easy-to-read format, while in the All Columns view even seldom used message parameters and trigger conditions appear. The widths of the columns can be adjusted from their borders. The [Layout] button is used to have the columns automatically configured to the most easy-to-read layout. The [New] button is used to input messages in the transmit list. The procedure differs depending on whether or not a database is associated to the CANalyzer configuration: Channel Filter It is possible to completely block all messages on a channel or to let them pass with a channel filter. The channel filter can be seen in the data flow plan as a small block in which the actual setting is graphically shown. Blocked channels are represented by broken red lines; those which are not blocked appear as green lines. Double clicking on the filter symbol opens a configuration dialog in which the available channels are seen and can be set.

19 2.2 Einführung: CANalyzer 22 Abbildung 2.18: Configuration of IG block Dieses Kapitel ist der Arbeit von Ü. Cali entnommen. [7]

20 2.2 Einführung: CANalyzer 23 Abbildung 2.19: Interactive Generator Block Abbildung 2.20: Channel Filter

21 2.3 Einführung: CANister Einführung: CANister Häufig ist die Ansteuerung von Aktoren, wie beispielsweise Elektromotoren, nur über ein Steuergerät, d.h. über CAN möglich. Um gezielt CAN-Nachrichten zu erzeugen und damit entsprechende Komponenten zu testen, ist der CANister entworfen worden. Abbildung 2.21: Der Canister mit seinen Anschlüssen Der CANister enthält in einem kompakten Gehäuse den Mikrocontroller Siemens 80C167, Flash und RAM. Als Schnittstellen stehen zwei CAN-Kanäle mit Steckplätzen zur Verfügung. Zusätzlich sind eine serielle Schnittstelle (RS232), ein Lastausgang (Relais bis 30A) und acht Digitalausgänge vorhanden. Die Bedienung des CANister erfolgt über Tasten oder digitale Eingänge, die Anzeige über LED. Alle acht Tasten und 13 LED sind frei programmierbar. Beispielsweise kann mit Drücken der ersten Taste eine CAN-Nachricht versendet werden und bei Empfang einer definierten Nachricht die LED Nummer 1 aufleuchten. Mit einem Software- Programm, dem CANister Configurator, lässt sich der CANister elegant innerhalb einer graphischen Oberfläche programmieren.

22 2.3 Einführung: CANister Funktionstest Die Versorgungsspannung des CANister beträgt 8V-18V. Ist in den CANister noch keine Anwendung geladen, so leuchtet nach dem Einschalten der Versorgungsspannung die gelbe bereit LED nicht und die 12 restlichen LED zeigen ein Lauflicht. Enthält der CANister eine Anwendung, so leuchtet nach dem Einschalten die gelbe bereit LED Funktionsübersicht Mikrocontroller Siemens 80C167 CAN-Kanäle 2 CAN-Transeiver 2 Piggyback-Platinen mit: - Philips PCA82C250 (Highspeed) - Philips PCA82C252 (Lowspeed) - Philips AU5790 (Single Wire) Maximale Baudrate Highspeed 1 MBit / s Lowspeed 125 kbit / s Single Wire 43,333 kbit / s Speicher 256 kbyte Flash 256 kbyte RAM Bedienelemte 8 frei belegbare Tasten 10 frei belegbare grüne LED 2 frei belegbare rote LED 1 gelbe LED (nicht programmierbar) Steuereingänge 8 Digitaleingänge (12 V) 2 Eingänge für Hallgeber (12 V) Steuerausgänge 8 Digitalausgänge, OC, max. 50V/500mA 1 Leistungsausgang über Relais (bis 30A) Tabelle 2.1: Canister

23 2.4 Einführung: CAN Datenbasis (CAN DB) Einführung: CAN Datenbasis (CAN DB) Möchte man mit dem CANalyzer CAN-Nachrichten aufzeichnen, so erscheinen im Trace- Fenster die entsprechenden Nachrichten, allerdings als Rohdaten. Um diese Daten interpretieren zu können, muss man dem CANalyzer eine CAN-Datenbasis zur Verfügung stellen. Unter Datei Datenbasis zuordnen kann die entpsrechende CAN-Datenbasis (*.dbc) geladen werden. Für den VW Polo existieren zwei verschiedene Datenbasen: Antriebs-CAN: Ant_321.dbc Komfort-CAN: Kom_171a.dbc Um sich über den Aufbau von CAN-Nachrichten zu informieren, können Sie den CAN-db- Editor starten. Sie sehen auf der linken Seite beispielsweise die in der Datenbasis enthaltenen Botschaften (Beispiel: mspiegel_2 mit der ID 601). In dem rechten Fenster sieht man den Aufbau dieser CAN-Botschaft. Beispielsweise befindet sich das Signal SP2_S_rechts an der Bit-Position 3. Das Signal selbst hat eine Länge von einem Bit. Abbildung 2.22: Der CAN-Datenbasis Editor Weiter rechts im Bild ist die Bedeutung der einzelnen Signale im Klartext dargestellt. Für das Signal SP2_S_rechts findet man den Eintrag Spiegelschalter in Richtung rechts. Abbildung 2.23: Der CAN-Datenbasis Editor (rechter Teil)

24 2.5 Einführung: Diagnosetool VAG-COM Einführung: Diagnosetool VAG-COM VAG-COM ist ein Windows-basiertes Programm, das über eine grafische Benutzeroberfläche per Mausklick Zugriff auf alle Steuergeräte [Adressworte, Anm. d. Verf.] bietet und fast alle Funktionen bereitstellt, die das VAG-eigene Diagnosegerät VAS 5051 bzw. VAG 5052 unterstützt. Per Direkteingabe des Adreßworts können auch alle weiteren Steuergeräte angewählt werden. [8] Damit ist die Diagnose der Fahrzeugsteuergeräte möglich, d.h. die Fehlerspeicher der Steuergeräte (SG) können mit Hilfe des Tools ausgelesen und gelöscht werden. Der Startbildschirm (vgl. Abbildung 2.24) des Programms bietet Ihnen die Möglichkeiten, die Programmoptionen (Optionen) einzustellen, ein einzelnes Steuergerät anzusprechen (Auswahl) oder automatisch alle Steuergeräte nach gespeicherten Fehlern zu durchsuchen (Auto-Scan). Abbildung 2.24: VAG-COM Startbildschirm Im Falle eines unbekannten Fehlers in einem Fahrzeug bietet die letztgenannte Option eine bequeme Möglichkeit, einen ersten Anhaltspunkt auf den möglichen Fehler zu finden. Nach Auswahl der automatischen Suche, bietet das Programm die Möglichkeit, ein Fahrzeugmodell auszuwählen, so dass die Suche nach Steuergeräten zur Verringerung der Suchzeit auf die wahrscheinlich verbauten Geräte beschränkt werden kann. Durch Klick auf die Schaltfläche Start wird die Suche gestartet, alle gefundenen SG werden auf Fehlereinträge untersucht und das Ergebnis in einer Übersichtsliste dargestellt.

25 2.5 Einführung: Diagnosetool VAG-COM 28 Abbildung 2.25: VAG-COM Automatische Suche Die Liste der angezeigten Fehler kann mit Ergebnisse kopieren in eine Textdatei kopiert werden, um das Ergebnis für spätere Verwendung zu sichern. Um Fehlerspeichereinträge in einem SG zu löschen, muss dieses Steuergerät direkt angesprochen werden. Um eine Fahrzeugdiagnose durchführen zu können, muss das Fahrzeug mit Hilfe des Diagnosekabels mit dem Laptop verbunden und die Klemme 15 (Zündung) eingeschaltet werden.

26 2.5 Einführung: Diagnosetool VAG-COM 29 Abbildung 2.26: VAG-COM Auswahl eines Steuergerätes

27 2.6 Einführung: Das Bus-Modell Einführung: Das Bus-Modell Für diesen Versuch ist ein Busmodell vorgesehen (siehe Abbildung 2.27), welches aus zwei CAN-Knoten und einem Gateway-Knoten besteht. An diesen drei Koppelstellen sind jeweils zwei Buchsen für CAN-H und CAN-L, sowie eine Buchse für Masse vorhanden. An einen Knoten wird der CANister (hier links im Bild) und an einen weiteren Knoten der CANalyzer (hier rechts im Bild) angeschlossen. Die beiden violetten Leitungen stellen den CAN-Bus dar. Abbildung 2.27: Das Busmodell In Abbildung 2.28 ist ein einzelner Busknoten dargestellt. Über zwei SUB-D Stecker kann man einerseits den CAN und andererseits den CANister oder CANalyzer anschließen. Der Gateway- Knoten leitet den CAN transparent durch. Die gelbe Buchse erlaubt Zugriff auf den CAN-L und die blaue Buchse auf CAN-H. Die schwarze Buchse ist für die Masse. Abbildung 2.28: Ein Busknoten Der interne Aufbau eines dieser Knoten ist in Abbildung 2.29 dargestellt.

28 2.6 Einführung: Das Bus-Modell 31 4 mm Buchse blau gelb schwarz 9 pol. SUB-D-Buchse CAN-Leitung violett Abschirmung rot grün Pin3 = Masse Pin7 = CAN-H Pin2 = CAN-L 9 pol. SUB-D-Buchse CAN-Leitung violett Abbildung 2.29: Ein Knoten des Busmodells

29 2.7 Einführung: Einstellungen des Oszilloskops Einführung: Einstellungen des Oszilloskops Für die Messungen an dem Bus-Modell ist ein Oszilloskop (Abbildung 2.30) von Tektronix vorgesehen. Im Folgenden sind die wichtigsten Einstellungen genannt, um den Verkehr auf dem Bus beobachten zu können (CAN-H und CAN-L). Abbildung 2.30: Oszilloskop für die Messungen Menü CH1 Math CH2 Trigger Einstellung Kopplung = DC Tastkopf = 1x nichts aktiviert Aus Flanke = positiv Quelle = CH1 Modus = Normal Trigger-Level ca. 1 V Vertikale Ablenkung (Spannung) 2, 00V/div Horizontale Ablenkung (Zeitbasis) 25µs/div

30 2.8 Vorbereitungen Vorbereitungen Allgemein Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quellen (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitte rechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R , WA Fragen zur Vorbereitung Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen: 1. Skizzieren Sie in einem Spannungs-Zeit-Diagramm eine CAN-Nachricht bei einer Geschwindigkeit von 500 kbit/s (High-Speed) und den Datenbytes 0xBF, 0xAA (ID=0xB5, Standard-Frame). Aufzutragen sind die Spannungen U CAN H Masse, U CAN L Masse und U CAN H U CAN L. Benutzen Sie dazu das vorbereitete Diagramm (siehe Anhang A). Die CRC - Prüfsumme beträgt: Ein zweites SG möchte zeitgleich auf den Bus zugreifen und folgende Nachricht übertragen: ID=0xA8, Datenbytes 0xB0, 0xFF. Welche der beiden Nachrichten gewinnt den Arbitrierungsprozess bei gleichzeitigem Buszugriff? 3. Zeichnen Sie ein Blockschaltbild des Measurement Setup, um mit dem CANalyzer eine bestimmte CAN-Nachricht zu verfolgen. Gegeben sei die ID (0x371) der Nachricht.

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32 2.9 Versuchsdurchführung Benötigte Hard- und Software zur Versuchsdurchführung Laptop CANalyzer VAG-COM CANister mit Netzteil Oszilloskop Busmodell Messleitungen VAG-COM Diagnose Adapter Testfahrzeug (Polo, Typ: 9N) 2.9 Versuchsdurchführung Messungen mit CANister 1. Verbinden Sie CANister und CANalyzer mit dem Busmodell und analysieren Sie das von CANister durch Druck auf die Taste 1 gesendete Telegramm mittels eines geeigneten Messaufbaus. CANister - Einstellungen: Highspeed-CAN und Geschwindigkeit = 500 kbit/s (a) Welche ID hat das Telegramm? (b) Wieviele Datenbytes werden übertragen und was ist der Inhalt der Nachricht? 2. Überprüfen Sie Ihre Skizze aus Frage 1 durch Messung mit einem Oszilloskop. 3. Fügen Sie nun 100 Meter Kabel in den Versuchsaufbau ein (siehe Abbildung 2.31), um die Länge des CAN-Busses wesentlich zu erhöhen. Was passiert mit den Signalen?

33 2.9 Versuchsdurchführung 36 Abbildung 2.31: Busmodell mit der 100 Meter Verlängerung Messungen am Fahrzeug Sicherheitshinweise Bei allen Arbeiten am Fahrzeug ist Klemme 15 (Zündung) auszuschalten! Lassen Sie Ihre Arbeiten vor dem Wiedereinschalten überprüfen! Für die Messungen am Fahrzeug muss der Laptop mit den Bussen des Fahrzeugs verbunden werden. Dazu ist für jede Teilaufgabe zu prüfen, mit welchem Kabel der Laptop mit welchem der Busse verbunden werden soll. Für die einzelnen Teilaufgaben benötigen Sie zusätzliche Informationen, die Sie in den CAN-Datenbasen finden, die zum Fahrzeug gehören. Die Datenbasen finden Sie unter: D:\CAN-Versuch\Canalyzer\Datenbasis\CAN_Datenbasis_Polo Am Fahrzeug stehen je ein Anschluss für den Antriebs-CAN (High Speed, 500kBd), den Komfort- CAN (Low Speed, 100kBd) und die Diagnoseschnittstelle zur Verfügung. 1. Interpretieren Sie verschiedene CAN-Nachrichten des VW Polo. (a) Übertragung von quasi-analogen Signalen: Untersuchen Sie die auf dem Antriebs- CAN übertragene Nachricht mit der ID=0x288. In dieser wird die Kühlmitteltemperatur übertragen. Welche Temperatur hat das Kühlmittel zur Zeit? Welche Temperaturbereiche können abgedeckt werden? Zusatzinformationen: MO2_Kuehlm_temp

34 2.9 Versuchsdurchführung 37 Startbit 8 Länge 8 Skalierung 0,75 Offset -48 Laden Sie anschließend die Datenbasis Kom_171a.dbc und überprüfen Sie Ihre Berechnung. (b) Übertragung von binären Signalen: Überprüfen Sie anhand einer CAN-Nachricht den Zustand der Kofferraumklappe (Heckdeckel). Die relevante Nachricht mbsg_1 (ID = 0x371) wird auf dem Komfort-Bus übertragen und ist in Kom_171a.dbc definiert. 2. Der rechte Außenspiegel des Fahrzeuges soll mit Hilfe des CANalyzers verstellt werden. Außer der ID des relevanten Telegramms (ID 0x501) und dem relevanten Bus (Komfort- CAN) liegen Ihnen keine weiteren Informationen vor. (a) Analysieren Sie den Aufbau des Telegramms durch Messung am Fahrzeug. (b) Verstellen Sie den Spiegel durch Senden des entsprechend angepassten Telegramms. 3. Fehlersuche mit VAG-COM Verbinden Sie den Laptop mit Hilfe des Diagnosekabels mit dem Fahrzeug und starten Sie die Diagnose-Software. Lesen Sie die Fehlerspeicher aus. Suchen Sie den oder die Fehler und versuchen Sie, diese zu beheben. Löschen Sie die Fehlerspeicher und führen Sie die Diagnose erneut durch. Ist der Eintrag im Fehlerspeicher noch vorhanden?

35 2.10 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ACK BSG CAN CANH CANL CANdb CAPL CRC CRC-Field DF DLC EOF GND ID IDE IG ISO LED LIN MBit MOST MSB NRZ-Verfahren OC OSI RAM RPM RS232 RTR SG SOF VAG VAG-COM VAS 5051 / VAG 5052 VCC Acknowledge Bordnetz-Steuergerät Controller Area Network CAN - High CAN - Low CAN database CAN access programming language Cyclic Redundancy Check Cyclic Redundancy Check - Feld (16 Bit lang) data-field Data length code (Anzahl der Datenbytes) End of Frame Ground (=Masse) identifier identifier extension bit (1 Bit im control field) Interactive Generator International Organization for Standardization Light Emitting Diode Local Interconnect Network Mega Bit (1 Million Bits) Media Oriented Systems Transport Most Significant Bit Non Return to Zero - Verfahren Open Collector Open Systems Interconnection Random Access Memory Umdrehungen pro Minute Normungsvorschlag für serielle Kommunikation Remote Transmission Request Steuergerät Start of frame Volkswagen AG Name der Diagnosesoftware Diagnosegerät von VW Versorgungsspannung

36 Literatur 39 Literatur [1] LAWRENZ, W. : CAN Controller Area Network: Grundlagen und Praxis. 4. Heidelberg : Hüthig, 2000 [2] ETSCHBERGER, K. : Controller-Area-Network. 3. aktualisierte. München, Wien : Hanser, S [3] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION: Road vehicles - Low-speed serial data communication - Part 2 : Low- speed controller area network (CAN), ISO : [4] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION: Road vehicles - Interchange of digital information - Controller area network for high speed communication, ISO 11898: [5] BOSCH: CAN Specification Version [6] SCHMIDT, C. ; FRÖHLICH, S. : Entwicklung eines autonomen CAN-Analog-Digital- Datenloggers für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen. Kassel, Universität Kassel, Diplomarbeit, November [7] CALI, U. : CAN Filter. Studienarbeit, FG Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik [8] ROSS-TECH: Handbuch VAG-COM. Auto-Intern GmbH, 2002