Das schlanke Bordnetz

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1 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION INHALT Das schlanke Bordnetz Vernetzung und Kommunikation im Automobil Die Elektronik hat das lange Zeit von der Mechanik geprägte Automobil im Lauf der Entwicklung grundlegend verändert. Sie bildet inzwischen die Adern und das Nervensystem eines Fahrzeugs bei fast all seinen Funktionen. Das betrifft die Servounterstützung bei der Lenkung genauso wie die Fahrdynamikhilfen ESP, ABS und ASR. Hinzu kommen zunehmend Radios mit CD-, DVD- und MP3-Playern inklusive dynamischer Navigationssysteme. Und die Liste all der Dinge, die das Autofahren komfortabler, das Fahrzeug sicherer sowie seinen Antrieb sparsamer und emissionsärmer machen, wird mit jedem Modellwechsel länger. Die unausweichliche Folge: Immer mehr elektrische Steuergeräte, Sensoren und Aktoren arbeiten unter dem Blechkleid. Und doch ist diese Entwicklung noch lange nicht abgeschlossen. Schließlich beruht inzwischen praktisch jede automobile Innovation auf Elektrik und Elektronik. Diese elektronischen Komponenten müssen mit Spannung versorgt werden und Daten untereinander austauschen. Das geht schon lange nicht mehr mit der konventionellen Verdrahtung, bei der pro Informationsart und Informationsrichtung je eine eigene Leitung gebraucht wird. Die Grenze markieren hier die Kabelbäume und die Steckkontakte: Der Kabelbaum wird wegen der vielen Leitungen zu dick und die Stecker haben nur eine begrenzte Anzahl von Kontaktstiften (Pins). Daher kanalisieren immer mehr Bussysteme die wachsenden Datenströme. Im Prinzip handelt es sich bei einem Datenbus um eine Ringleitung, an die sämtliche Rechenmodule angedockt sind. Alle Signale werden in diese Leitung eingespeist und passieren dabei zwangsläufig jedes Modul. An speziellen Codierungen erkennt das Modul, ob es angesprochen wird; ist das der Fall, wird es aktiv und setzt die Steuerbefehle um. Darum müssen im Unterschied zu konventionellen Bordnetzen, in denen die Steuergeräte verschiedene Protokolle unterstützen (das heißt: verschiedene Sprachen sprechen), die Steuergeräte in den Datenbussen in ein und derselben Computersprache kommunizieren, dem aus Nullen und Einsen bestehenden Binärcode. Durch die Fähigkeit des Systems, per Selbstdiagnose Fehlfunktionen detailliert zu dokumentieren und abzuspeichern, beschränkt sich eine eventuelle Fehlersuche oft auf das Auslesen von Daten per Diagnose-Steckverbindung zwischen Servicegerät und dem zentralen Steuermodul. Wer jedoch tiefer in die Bustechnik einsteigen will, um beispielsweise den Datenstrom zu verfolgen, muss sich detailliert in der Digitaltechnik auskennen. Wie Adern und Nervenbahnen durchzieht der Kabelbaum das Fahrzeug. Ohne Datenbustechnik könnte man bei gleicher Anzahl von Funktionen die Leitungen nicht mehr im Fahrzeug unterbringen. INHALT Einer sendet, alle lauschen Der CAN-Datenbus 90 Telefonkonferenz im Auto Datenaustausch im CAN-Datenbus 92 Alles im Rahmen Das CAN-Datentelegramm 93 Umfangreiche Kontrolle Fehlererkennung im CAN-Bus 94 Ein Bild von einem Fehler Auf dem Oszilloskop sichtbare Busfehler 97 Die Welt der Nullen und Einsen Begriffe der Datenverarbeitung 98 Zeichen der Zeit Die Geschichte des CAN-Busses 101 Die bisher erschienenen Teile des»kfz-betrieb«-servicetechnikers, Benzin-Direkteinspritzung und Klimaanlagen, finden Sie unter in der Foto: Volkswagen 89

2 0931/ CAN-Datenbus Einer sendet, alle lauschen Ein Datenbus im Auto ist nichts anderes als ein Computernetzwerk. Er verbindet die verschiedenen Steuergeräte mit zwei bis drei Leitungen. Es sind sowohl elektrische als auch optische Leitungen möglich. Über den Bus können alle Steuergeräte untereinander Informationen und Befehle austauschen. Bei zeitkritischen Systemen wie beim ESP oder der Motorsteuerung muss der Datenbus die Informationen ohne nennenswerte Zeitverzögerung vom Sender zum Empfänger übertragen. Dieses Verhalten nennt man Echtzeitfähigkeit. Außerdem darf ein solches Kommunikationssystem keine Fehler machen und sich auch nicht durch äußere Einflüsse wie elektromagnetische Strahlung stören lassen. Weil für den Datentransport von und zu den Steuergeräten prinzipiell eine einzige Leitung ausreicht, kommt ein Datenbus mit wesentlich weniger Leitungen aus als ein konventionell verkabeltes System. Außerdem können die Steuergeräte, Sensoren und Aktoren alle an der gleichen Busleitung hängen, was den Kabelstrang zusätzlich entlastet. Beispielsweise konnte Audi die Schaltung der Blinker beim A4 von 45 Leitungen und 9 Steckern bei konventioneller Verkabelung auf 17 Leitungen und 2 Stecker durch den Datenbus verringern. Vergleichen kann man den Datenbus mit einer Telefonkonferenz. Jeder Teilnehmer hört alle Gespräche mit und kann seinen Beitrag abgeben, der nun wiederum von allen anderen Teilnehmern mitgehört wird. Für den Einsatz im Kraftfahrzeug wurden nun verschiedene Bussysteme entwickelt: Im Bordnetz moderner Fahrzeuge arbeiten heute häufig schon drei unterschiedliche Datenbusse: Rot: Low-Speed-CAN-Bus Blau: High-Speed-CAN-Bus Gelb: optischer Bus Foto: Daimler Chrysler CAN-Bus (Controller Area Network): Ein serielles Bussystem, bei dem alle Teilnehmer gleichberechtigt sind, das heißt jedes Steuergerät kann unabhängig senden und empfangen. Der CAN-Bus ist das im Kraftfahrzeug am häufigsten angewandte Bussystem. Dieser Beitrag bezieht sich deshalb ausschließlich auf den CAN-Datenbus. LIN-Bus (Local Interconnect Network): Ein Eindraht-Bussystem, das sich im Kraftfahrzeug besonders für Komfortanwendungen durchgesetzt hat. Preiswert, jedoch mit einer geringen Übertragungsgeschwindigkeit. Nach dem CAN-Bus gewinnt der LIN-Bus im Kraftfahrzeug immer mehr an Bedeutung. Häufig werden Kombinationen beider Bussysteme verwendet. MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport): Die- ses Bussystem mit Lichtwellenleitern wird im Kraftfahrzeug für den Infotainment- Bereich eingesetzt. ABUS (Allgemeine Bitserielle Universelle Schnittstelle): Eine Entwicklung von VW, die aber auf Grund einer zu geringen Nutzdatenrate aufgegeben wurde. TTP-Bus (Time Triggered Protocol): Ein sehr aufwändiges Bussystem. Es überträgt Nachrichten in festgelegten Zeitfenstern und nicht wie der CAN-Bus ereignisgesteuert. Es bietet eine hohe Übertragungsrate mit einer hohen Übertragungs- und Ausfallsicherheit durch zwei redundante Datenkanäle. Der von den Autoherstellern für X-by- Wire-Systeme favorisierte Flexray -Datenbus arbeitet ebenfalls zeitgesteuert. Welche Aufgaben soll ein Datenbus erfüllen? Das waren noch Zeiten, als Autos mit zwei Steuergeräten auskamen. Eines steuerte die Zündung und ein anderes die Einspritzung. Heutige Autos haben oft mehr als 40 oder 50 Steuergeräte, die für ihre Arbeit eine Vielzahl von Daten benötigen. Über den Datenbus sind einmal erzeugte Informationen aus einem Sensor oder einem Steuergerät allen anderen Busteilnehmern zugänglich. So reduziert sich die Zahl der Sensoren im Auto. Das CAN-Bussystem überwacht zusätzlich, ob Botschaften fehlerfrei beim Empfänger ankommen. 90

3 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION Das erhöht die Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Die geringere Zahl an Kabeln reduziert den Montageaufwand bei der Installation des Kabelbaums und die Zahl der störanfälligen Steckverbindungen. Zudem ist es einfacher zusätzliche Elemente (z. B. Steuereinheiten) in ein System zu integrieren oder ihren Einbauort zu verändern. Die Diagnosefähigkeit des Systems wird durch den CAN- Bus entweder erst ermöglicht oder verbessert. Komponenten eines CAN-Datenbusses In den Steuergeräten eines CAN-Bussystems befinden sich ein Mikroprozessor, ein Controller und ein Transceiver (Sender = Transmitter und Empfänger = Receiver). Die Informationen, die der Mikroprozessor an die anderen Steuergeräte senden möchte, werden vom Controller aufbereitet. Zusammen mit entsprechenden Steuerungsbefehlen erstellt der Controller das Datenprotokoll und gibt es an den Transceiver weiter. Dieser wandelt die Daten vom Controller in elektrische Signale um und sendet sie auf die Datenbus-Leitung. Genauso empfängt der Transceiver elektrische Signale aus dem Datenbus, gibt sie an den Controller weiter, welcher die Daten aus dem Protokoll filtert und an den Mikrocomputer im Steuergerät weiterleitet. Das Steuergerät entscheidet, ob die Daten für seinen Betrieb relevant sind und verarbeitet sie gegebenenfalls weiter. Das CAN-Datenprotokoll ist genormt. Dadurch können Steuergeräte unterschiedlicher Hersteller kommunizieren. Alle Steuergeräte sind gleichberechtigt und werden als Knoten bezeichnet. Busleitungen Der CAN-Bus besitzt eine Linien-Struktur. Ihr Vorteil: Fällt ein Knoten aus, bleibt die Kommunikation zu den anderen Knoten erhalten. Ist jedoch die Busleitung selbst an einer Stelle unterbrochen, ist der Datentransport nur bis zu dieser Bruchstelle möglich. Die Vorteile des CAN-Bus im Überblick Weniger Sensoren und Signalleitungen Die Möglichkeit der mehrfachen Nutzung eines Sensorsignals im gesamten Bus-System Weniger Leitungen in den Kabelsätzen führen zur Gewichtsreduzierung und besseren Übersicht) Weniger Steckkontakte an den Steuergerätesteckern Weniger schlecht zu erreichende Steckverbindungen Sehr schnelle Datenübertragung zwischen den Steuergeräten Geringe Fehlerquote durch ständiges Überprüfen der gesendeten Daten in den Steuergeräten Erkannte Fehler führen zu einer automatischen Wiederholung der Nachrichtensendung STANDARDISIERUNG FÜR CAN Ende der achtziger Jahre schlug die ISO (International Organization for Standardization) zwei Standards vor. In ISO wird der Low Speed-CAN, in ISO der High Speed-CAN beschrieben. Die in ISO festgeschriebene Norm umfasst unter anderem folgende Standards: Datenrate unter 125 KBits/s (Low-Speed) keine Abschlussimpedanz (Widerstand am Ende der Datenleitung) nötig (wird aber in den meisten Fällen trotzdem verbaut) Bei Ausfall einer Leitung ist die Übertragung über die intakte Leitung möglich. Bei Kurzschluss der Datenleitungen untereinander wird eine Leitung hochohmig geschaltet und der Betrieb läuft über die andere Leitung. Die in ISO festgeschriebene Norm umfasst unter anderem folgende Standards: Datenrate max. 1 MBits/s bei einer Leitungslänge von 40 m (High-Speed) Max. Länge eines Leitungsabzweiges 30cm eine Abschlussimpedanz von 120 W die Knoten bilden aus den beiden Spannungspegeln CAN- High und CAN-Low die Differenzspannung der Bus befindet sich im rezessiven Zustand, wenn kein Knoten ein dominantes Bit überträgt die Datenübertragung läuft immer symmetrisch über die Zweidrahtleitung Für beide Normen existieren die CAN-Spezifikationen 2.0A (Standard CAN-Frame) und 2.0B (Extended CAN-Frame). Der Unterschied besteht darin, dass das Statusfeld (Arbitratinsfeld) des Datentelegramms bei der Spezifikation 2.0A einen 11Bit Identifier und bei der Spezifikation 2.0B einen 29Bit Identifier besitzt. Somit stehen bei 2.0A für die Identifikation und Priorität des Telegramms 211 (2032) verschiedene Nachrichten oder bei 2.0B 229 ( ) verschiedene Nachrichten zur Verfügung. Die Zusammensetzung des Datentelegramms ist ebenfalls genormt: Anfangsfeld (Start of Frame) 1Bit Statusfeld (Arbitrationsfeld) 11/29 Bit Kontrollfeld 6 Bit Datenfeld 0-64 Bit Sicherungsfeld (CRC-Feld) 15 Bit Bestätigungsfeld (ACK-Feld) 2 Bit Endefeld (End of Frame) 7 Bit Auch die Fehlerbehandlung (Errorhandling) ist genormt. So verfügt jeder CAN-Chip über dasselbe Errorhandling. Jeder Fehler, der durch einen Teilnehmer erkannt wird, wird sofort allen anderen Teilnehmern mitgeteilt. Alle Teilnehmer verwerfen die bis dahin empfangene Botschaft. Die Fehlerkorrektur erfolgt durch Sendewiederholung. Der High-Speed-CAN kommt bei zeitkritischen Regelungen zum Einsatz. An ihm sind zum Beispiel die Steuergeräte für Motormanagement, Getriebe, ESP, ASR und ABS angeschlossen. Der Bus muss echtzeitfähig sein, d. h. die Datenübertragung darf sich durch den Bus nur extrem kurz verzögern. Am Low-Speed-CAN hängen Steuergeräte, bei denen die Übertragungszeit nur eine untergeordnete Rolle spielt: zum Beispiel Steuergeräte für Beleuchtung, Klimaanlage, Verriegelung und Armaturen. 91

4 0931/ Der CAN-Transceiver Die Datenbusleitungen arbeiten bidirektional, dienen also zum Senden und zum Empfangen von Daten. Den Abschluss der Datenleitung bildet auf beiden Seiten jeweils ein 120 Ohm-Widerstand (Abschlussimpedanz). Diese Widerstände verhindern, dass die gesendeten Signale von den Leitungsenden als Echo zurückkommen und die Daten verfälschen. Diese Abschlussimpedanz befindet sich innerhalb der Steuergeräte. Sollte ein Widerstand defekt sein, muss in aller Regel das Steuergerät ausgetauscht werden. Durch einen defekten Widerstand ist das Bussignal nicht mehr rechteckförmig sondern sehr verschliffen. Das hat zur Folge, dass die Steuergeräte die Bit-Zeiten nicht mehr erkennen. Diese falschen Bits führen dazu, dass die Prüfsumme (Cyclic Redundancy Check CRC) nicht mehr stimmt (siehe Seite 94) und im schlimmsten Fall der Bustransfer zum erliegen kommt. Der Fehlerspeicher meldet dann ein unplausibles Signal. Doppelt überträgt besser Obwohl eigentlich eine Leitung für die Datenübertragung im CAN-Bus ausreichen würde, überträgt der Bus ein Daten-Bit auf zwei Leitungen gleichzeitig. Beide Datenströme laufen mit einer gegensinnigen Potenzialänderung. Das schützt die Daten vor elektromagnetischen Störungen. Auf der zweiten Leitung läuft also eine redundant invertierte Übertragung des logischen Signals. Damit die Störungen von außen zum Beispiel durch Funkwellen, Generator oder Zündanlage nicht auf den Datenbus wirken können, sind die beiden Leitungen miteinander verdrillt. Dadurch bleibt die Spannungssumme der Leitungen zu jeder Zeit konstant, die elektrischen Feldeffekte heben sich auf. Die beiden Leitungen werden als CAN- High und CAN-Low bezeichnet. Der Controller schaltet im Transceiver zwei Transistoren. Der eine Transistor ist zuständig für den Signalpegel CAN- Innenschaltung des Transceivers mit den beiden Transistoren für CAN-Low und CAN-High. High und der andere für den Signalpegel CAN-Low. Durch diese Innenschaltung ist gewährleistet, dass die Signalpegel auf beiden Datenleitungen immer exakt gleichzeitig starten. Im geschalteten Zustand beträgt der Pegel von CAN- Low 1 V und an CAN-High liegt eine Spannung von etwa +4V an. Dieser Zustand wird als dominant bezeichnet. Wird kein Bit gesetzt, ist der Pegel von CAN-Low auf +5V, der Pegel von CAN-High auf 0 V. Diesen Zustand bezeichnet man als rezessiv. Im Gegensatz zur üblichen Logik, bei der man einen geschalteten Zustand als 1 bezeichnet und einen nicht geschalteten als 0 arbeitet der CAN-Bus mit einer negativen Logik: der dominante Zustand entspricht im CAN-Bus einer logischen 0, der rezessive Zustand einer logischen 1. Sendet ein Knoten eine logische Null auf den Bus, überschreibt er den Zustand einer logischen Eins eines anderen Knotens. Da jeder Knoten die von ihm gesendeten Bits auf der Datenleitung überwacht, erkennt er sofort, dass jetzt ein Knoten mit einer höheren Priorität ein Protokoll versendet. Der niederwertigere Knoten hört auf zu senden und wird zum Empfänger. Nach dem Empfang des höherwertigen Protokolls versucht er erneut sein Datenprotokoll zu senden. Datenaustausch im CAN-Bus Die Adresse eines Datensatzes im CAN-Bus betrifft nicht einen oder mehrere bestimmte Knoten, also Empfänger, sondern den Inhalt der Nachricht. Das kann zum Beispiel die Drehzahl oder die Motortemperatur sein. Neben der Inhaltskennzeichnung legt dieser so genannte Identifier auch die Priorität der Nachricht im Datenprotokoll fest. Mit der dann folgenden Akzeptanzprüfung stellen alle Stationen nach korrektem Empfang der Nachricht anhand des Datenprotokolls fest, ob die empfangenen Daten für sie relevant sind oder nicht. Sendet also das ABS-Steuergerät Daten zur Fahrtgeschwindigkeit über den Bus, ignoriert das Türsteuergerät diese Meldung, ein entsprechend ausgestattetes Radio hingegen verarbeitet diese Information, um die Lautstärke an die Umgebungsgeräusche anzupassen. Die inhaltsbezogene Adressierung ermöglicht eine hohe Flexibilität: Es lassen sich sehr einfach Stationen zum bestehenden CAN-Netz hinzufügen. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit des Multicasting, das heißt, mehrere Teilnehmer können eine Nachricht gleichzeitig empfangen und auswerten. Messgrößen, die von mehreren Steuergeräten als Information benötigt werden, werden vom CAN-Bus verteilt, sodass nicht jedes Steuergerät einen eigenen Sensor benötigt. Einsatz eines CAN-Bussystems am Beispiel Passat Das Komfortsystem beim Passat ab dem Modeljahr 1997 umfasst zum Beispiel Zentralverriegelung, Spiegelverstellung, elektrische Fensterheber, Innenbeleuchtung und Diebstahlwarnanlage. Neu waren hierbei der Aufbau und die Organisation des Kom- 92

5 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION CAN-Datenrahmen Anfangsfeld (1 Bit) Statusfeld (11 Bit) 1 Bit = unbenutzt Datenfeld (maximal 64 Bit) Bestätigungsfeld (2 Bit) Kontrollfeld (6 Bit) Sicherungsfeld (16 Bit) fortsystems. Gegenüber den früheren Systemen sind die einzelnen Steuergeräte über ein CAN-Bussystem vernetzt und teilen sich die Aufgaben. Das Beispiel der Zentralverriegelung zeigt, wie die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten. Die Funktionen des Systems steuert ein Zentral-Steuergerät zusammen mit zwei oder vier Tür-Steuergeräten. Alle Steuergeräte sind über die beiden miteinander verdrillten CAN-Datenbusleitungen verbunden. Jedes dieser Steuergeräte ist ständig dabei, eigene Daten bereitzustellen, diese Daten an andere Steuergeräte zu senden, von anderen Steuergeräten Daten zu empfangen sowie diese Daten zu prüfen und gegebenenfalls zu übernehmen. Verriegeln des Fahrzeuges Dreht der Fahrer den Fahrzeugschlüssel im Türschloss, löst das eine Vielzahl von Funktionen aus. Als Erstes betätigt der Fahrzeugschlüssel einen Mikroschalter im Türschloss. Abhängig vom Zustand des Mikroschalters generiert der Mikroprozessor im Türsteuergerät den Schließbefehl an den Controller. Endefeld (7 Bit) Eine Nachricht im CAN-Bus besteht immer aus sieben Feldern. Dieser so genannte Datenrahmen ist maximal 108 Bit lang. Dieser bereitet das Datentelegramm mit den Steuerungsund Sicherungsbefehlen auf und übermittelt es an den Transceiver. Nun sendet der Transceiver das Telegramm in Form von Spannungssignalen über den CAN-Datenbus an die anderen Steuergeräte. In den anderen Türen empfangen die Transceiver der Steuergeräte das Telegramm und geben es an die jeweiligen Controller weiter. Hier werden die aufbereiteten Daten an die Mikroprozessoren weitergegeben, welche in der jeweiligen Tür den Stellmotor der Zentralverriegelung schalten. Weiterhin kann der Mikroprozessor einprogrammierte Zusatzfunktionen ausführen, zum Beispiel: Fenster und Schiebedach schließen, Diebstahlwarnanlage einschalten oder Innenleuchten erst ein und dann nach einem festgelegten Zeitraum wieder abschalten. Das CAN-Datentelegramm Ein CAN-Datentelegramm besteht aus einer Vielzahl von aneinandergereihten Bits. Die Reihenfolge dieser Bits regeln die Vorschriften des CAN-Datenprotokolls. Das CAN-Datenprotokoll beinhaltet sieben Datenfelder: Anfangsfeld (SOF = Start of Frame) (1 Bit). Es markiert den Beginn des Datentelegramms. Statusfeld (Arbitrationsfeld) (11 Bit). In diesem Abschnitt ist der Identifier untergebracht, der zum einen die Priorität des Datentelegramms festgelegt. Wollen zum Beispiel zwei Steuergeräte gleichzeitig ihr Datentelegramm senden, hat das Steuergerät mit der höheren Priorität den Vorrang. Zum anderen ist im Identifier auch die logische Adresse, also der Inhalt der Botschaft untergebracht. Nach dem Statusfeld folgt ein unbenutztes Bit. Kontrollfeld (Steuerfeld) (6 Bit). Dieses Feld beinhaltet die Anzahl der im Datenfeld stehenden Informationen. So kann jeder Empfänger überprüfen, ob er alle Informationen empfangen hat. Datenfeld (maximal 64 Bit). Hierin werden Informationen für die anderen Steuergeräte übertragen. Sicherungsfeld (CRC-Feld = Cyclic Redundancy Check) (16 Bit). Es hilft, Übertragungsstörungen anhand einer Prüfsumme zu erkennen. Bestätigungsfeld (Ack-Feld = Acknowledgement) (2 Bit). Beispiel für bitweise Arbitrierung Mit diesem Feld signalisieren die Empfänger dem Sender durch die Sendung eines dominanten Bits, dass sie das Datentelegramm korrekt empfangen haben. Bleibt dieses dominant Bit aus, weiß das sendende Steuergerät automatisch, dass ein Übertragungsfehler vorliegt. Daraufhin wiederholt der Sender seine Übertragung. Endefeld (EOF = End of Frame) (7 Bit). Mit diesem Feld endet das Datentelegramm. Es hat stets sieben rezessive Bits. Um verschiedene Nachrichtenrahmen voneinander unterscheiden zu können, erfolgt nach jeder Nachricht eine Phase von drei rezessiven Bits, der so genannte inter frame space (Rahmen-Zwischenraum). Die Priorität eines Datentelegramms Beginnend mit dem Statusfeld sendet jedes Steuergerät einen 11 Bit-Code. Dieser besteht aus Nullen und Einsen, wobei die 0 dominant ist. Wenn auch nur ein Steuergerät eine 0 sendet, wird der Buspegel auf 0 gezogen, selbst wenn alle anderen eine 1 senden. Jedes Steuergerät vergleicht nun sein gesendetes Bit mit dem Bit auf dem Die Nachricht mit dem niedrigsten Identifier und damit mit der höchsten Sendepriorität setzt sich auf dem CAN-Bus durch. 93

6 0931/ Bus. Sollte das Steuergerät eine 1 senden, der Bus aber eine 0 aufweisen, so erkennt das Steuergerät, dass es mindestens einen anderen Teilnehmer gibt, der für diese Bitposition eine 0 gesetzt hat. Das Steuergerät mit dem Bitwert 1 hört auf zu senden und wird zum Empfänger. Da jeder 11-Bit-Code einzigartig in einem System ist, wird am Ende des Statusfeldes nur ein Steuergerät übrig bleiben. Dieses kann dann seine Botschaft senden. Je nach Bussystem versuchen die anderen Steuergeräte das eigene Datenprotokoll im Abstand von 7 bis 20 Millisekunden zu wiederholen. Synchronisation Damit die einzelnen Knoten am CAN-Bus synchron arbeiten, also jedes Steuergerät exakt zum selben Zeitpunkt die Spannungspegel auf dem Bus abfragt und verarbeitet, müssen die Steuergeräte immer wieder einen Impuls bekommen, nachdem sie sich ausrichten können. Das ist das so genannte Stuff-Bit. Für eine gute Synchronisation brauchen die Steuergeräte möglichst viele Flanken im Bus-Signal. Aus diesem Grund fügt der Controller automatisch nach jedem fünften gleichen Bit dieses Stuff-Bit (Stopf-Bit) in den Datensatz ein. Es hat stets den gegensätzlichen Pegel wie die zuvor gesendeten fünf gleichen Bits, sodass mit Sicherheit nach jedem fünften Bit eine Flanke entsteht. Das empfangende Steuergerät filtert dieses Stuff-Bit automatisch wieder heraus. Diese so genannt Stuff-Regel wird nur bei einer fehlerhaften Datenübertragung gebrochen. Fehlererkennung im CAN- Datenprotokoll Durch die ausgeklügelte Form des CAN-Protokolls, sind die Steuergeräte in der Lage, Fehler im System selbst zu erkennen und zu signalisieren. Dafür sind mehrere Sicherheitssysteme auf der Nachrichtenebene vorhanden. 1. Cyclic Redundancy Check (CRC) Der Cyclic Redundancy Check (Zyklisches Redundanz-Prüfverfahren) sichert die Information des Rahmens, indem aus den zu übertragenden Daten mit einem mathematischen Verfahren ein Prüfwert berechnet wird. Sowohl das sendende als auch das empfangende Steuergerät berechnen diesen CRC-Wert. Stimmen die beiden Ergebnisse überein, war die Übertragung fehlerfrei. Andernfalls wurden die Daten während der Übertragung verändert. In diesem Fall fordert das empfangende Steuergerät die Daten vom sendenden erneut an. 2. Frame Check Diese Methode überprüft, ob die Struktur des übertragenen Rahmens mit der Sollstruktur übereinstimmt. Die durch Frame Check erkannten Fehler werden als Formatfehler bezeichnet. 3. ACK-Fehler Wie schon beschrieben, quittieren allen Empfänger die empfangenen Rahmen durch positives Acknowledgement (Bestätigung). Erhält der Sender kein Acknowledgement über den Datenbus (ACK-Fehler), so deutet dies auf einen möglicherweise nur von den Empfängern erkannten Übertragungsfehler, auf eine Verfälschung des ACK-Feldes oder auf nicht vorhandene Empfänger hin. 4. Monitoring Jedes sendende Steuergerät, beobachtet gleichzeitig den Buspegel. Es erkennt dabei Differenzen zwischen gesendetem und empfangenem Bit. Dadurch können alle lokalen (vom Steuergerät selbst verursachten) Bitfehler sicher erkannt werden. Gleichzeitig können aber auch globale (auf dem Bus von anderen Steuergeräten produzierte) Fehler zum Beispiel dadurch erkannt werden, dass der Empfang von keinem Steuergerät quittiert wird. Einzelne Übertragungsfehler im CAN-Datenprotokoll bewirken noch keinen Eintrag im Fehlerspeicher. Die Knoten wiederholen einfach das fehlerhafte Telegramm. Dabei zählt das Steuergerät die Zahl der Wiederholungen. Nach einer bestimmten Anzahl von Fehlern wird das Steuergerät abgeschaltet. Erst jetzt steht im Fehlerspeicher der Eintrag keine Kommunikation zum Steuergerät. Hat ein Knoten einen Fehler erkannt, setzt er jeden anderen Knoten durch einen Errorframe davon in Kenntnis. Der Errorframe besteht aus einer Folge von sechs oder mehr dominanten Die Eigendiagnose Bits. Dadurch wird jeder andere aktuelle Buswert überschrieben. Diese bewusste Verletzung der Stuff-Regel veranlasst alle Teilnehmer am Bus, den gerade gesendeten Frame zu verwerfen. Der Sender hat die Möglichkeit, sofort nach dem Errorframe seine Daten zu wiederholen. Die Fehlerdiagnose in der Werkstatt Um an einem Bussystem eine umfangreiche Diagnose und Fehlersuche durchzuführen, müsste man eigentlich wissen, ob die Verbindung funktioniert oder gestört ist und welche Informationen die Steuergeräte miteinander austauschen. Die Fahrzeughersteller geben aber die eigentlich übertragenen Daten nicht heraus, sondern stellen lediglich die Möglichkeit der Eigendiagnose oder Stellglieddiagnose zu Verfügung. Zusätzlich bekommt man über den Diagnosetester auch Informationen über die jeweiligen Ist-Werte. Verdeutlichen wir uns die Möglichkeit der Fehlerdiagnose am Beispiel des Volkswagen Passat. Die Steuergeräte des Komfortsystems sind bei Startbildschirm für die Diagnose des CAN-Busses mit dem VAG- Diagnosetester VAS

7 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION der Eigendiagnose als eine Einheit zu betrachten. Nur das Zentral-Steuergerät ist über die so genannte K-Leitung mit dem Stecker der On-Board-Diagnose (OBD) verbunden. Verwendet man zum Beispiel den Diagnose- Tester VAS 5052 kann man über das Adresswort 46 das Zentral-Steuergerät für das Komfortsystem anwählen. Folgende Funktionen stehen dann zur Verfügung: 02 Fehlerspeicher abfragen, 03 Stellglieddiagnose, 04 Grundeinstellung 05 Fehlerspeicher löschen, 06 Ausgabe beenden, 07 Steuergerät codieren, 08 Messwerteblock lesen, 09 Einzelne Messwerte lesen, 10 Anpassung, 11 Login Prozedur Ausfall der Datenbusleitung Wenn beispielsweise eine Datenleitung des Komfortsystems defekt ist, läuft die Datenübertragung nur noch über das intakte Kabel. Unter dem Menüpunkt 02 des VAS 5052 Fehlerspeicher abfragen erscheint dann der Eintrag: Daten-Bus Komfort im Notlauf. Ein Ausfall des Gesamtsystems ist nur möglich, wenn beide Datenbusleitungen unterbrochen sind oder einen Masse- bzw. Plusschluss aufweisen. In diesem Fall überträgt der Bus keine Daten mehr. Sollte im Augenblick des Ausfalls zum Beispiel die Safe -Funktion aktiviert gewesen sein, lassen sich die hinteren Türen nicht mehr öffnen. Das Zentral-Steuergerät Alle Steuergeräte des Komfortsystems sind gleichberechtigt. Das Zentral-Steuergerät besitzt entgegen seinem Namen, keine übergeordnete Funktion. Zusätzlich stellt es aber die Verbindung zum übrigen Bordnetz und zur Diagnoseleitung dar. Über das Zentral-Steuergerät werden die Innenlichtsteuerung, die Heckdeckel-Fernentriegelung, die Funk-Fernbedienung und die Diebstahlwarnanlage gesteuert. Bei einem Ausfall des Zentral- Steuergerätes geht das Komfort-Schließsystem in einen Notlauf. Die genannten Funktionen können dann nicht mehr ausgeführt werden. Im CAN-Oszillogramm Oszilloskop-Bildschirm eines CAN-Bus-Signals: oben (CH2) ist CAN- High und unten (CH1) CAN-Low dargestellt, jeweils gegen Masse gemessen. Fehlerspeicher erscheint der Eintrag: Zentralsteuergerät keine Kommunikation. Die Tür-Steuergeräte Die Tür-Steuergeräte überwachen und steuern die Funktionen, die in den Türen ausgeführt werden. Sollte ein Tür- Steuergerät ausfallen, lassen sich die Türen nur noch einzeln mechanisch mit dem Schlüssel ver- bzw. entriegeln. Im Fehlerspeicher erscheint z.b. der Eintrag: Türsteuergerät Fahrerseite keine Kommunikation Fehlerdiagnose durch Spannungsmessung am Bussystem Die Diagnose mit einem entsprechenden Diagnosetester ist sicherlich die gängigste und auch schnellste Art der Fehlersuche. Wer aber wirklich verstehen möchte, wie der Datenbus arbeitet, kann sich die verschiedenen Spannungssignale mit einem Oszilloskop darstellen. Das Skop-Bild zeigt dann, was auf dem Bus passiert, wenn eine Leitung gegen Plus, Masse, oder sogar mit der anderen Datenleitung kurzgeschlos- Datenbus im Notlauf Steuergerät ausgefallen Der Fehlerspeicher signalisiert, dass der Bus im Notlauf ist, wenn eine der beiden Datenleitungen des CAN-Bus defekt ist. Keine Kommunikation singnalisiert der Fehlerspeicher, wenn ein Steuergerät ausgefallen ist. 95

8 0931/ sen ist, oder wenn eine der Datenleitungen unterbrochen ist. Im folgenden Beispiel wurden die Datenleitungen jeweils gegen Masse gemessen und mit einem Oszilloskop im Zweikanalmodus aufgezeichnet. Der obere Bereich zeigt die Leitung CAN- High (CH2), der untere Bereich CAN-Low (CH1). Wenn kein Bit übertragen wird, sind die Datenleitungen im rezessiven, wenn ein Bit gesetzt wird im dominanten Zustand. Bei einem intakten Datenbus konnten folgende Werte gemessen werden: CAN-High: rezessiv = 4 V dominant = 0 V CAN-Low rezessiv = 5 V dominant = 1 V Bedingt durch die Innenschaltung des Transceivers wird CAN-Low im Fahrzeug nicht ganz auf 0V heruntergezogen und CAN-High erreicht keine 5V. Zur Fehleraufschaltung wurden die Datenbusleitungen getrennt und über eine Fehlerbox geschaltet. Diese Fehlerbox simuliert folgende SIGNAL IM TRANSCEIVER Der Transceiver wertet über seine Datenleitung nicht die beiden Einzelwerte für CAN-High und CAN-Low aus, sondern die Spannungsdifferenz der beiden Busleitungen. Diese Signale lassen sich mit einer Spannungsmessung CAN-Low gegen CAN-High darstellen. Bei einem intakten Datenbus ergeben sich folgende Werte: dominant = 3V rezessiv = 5V (CAN-Low 1V CAN-High 4V) (CAN-Low 5V CAN-High 0V) Fehler, die im Fehlerspeicher den Eintrag Datenbus Komfort im Eindraht Elektrischer Fehler im Stromkreis zur Folge haben: Masseschluss CAN-High CAN-High = 0V CAN-Low arbeitet normal weiter Masseschluss CAN-Low CAN-Low = 0V CAN-High arbeitet normal weiter Plusschluss CAN-High CAN-High = 14V CAN-Low arbeitet normal weiter Plusschluss CAN-Low CAN-Low = 14V CAN-High arbeitet normal weiter Schluss zwischen CAN-High und CAN-Low CAN-High setzt sich durch CAN-Low wird überschrieben bzw. hört auf zu schalten (je nach Programmierung des Herstellers). Folgende zwei Fehler haben den Eintrag im Fehlerspeicher Datenbus Komfort im Eindraht, Unterbrechung zur Folge: Unterbrechung CAN-Low (gemessen an der Steuergerätseite) CAN-High arbeitet normal Masseschluss von CAN-High Dieses Bild zeigt das Oszilloskop bei einem Masseschluss der CAN- High-Leitung. CAN-High liegt dadurch auf 0 Volt und CAN-Low arbeitet normal weiter. Auf CAN-Low sind nur die Signale zu sehen, die das Steuergerät sendet. Die Signale des Datenbusses fehlen, da die Verbindung zum Bus unterbrochen ist. Unterbrechung CAN-Low (gemessen an der Kabelbaumseiteseite) CAN-High arbeitet normal Auf CAN-Low sind nur die Signale des Datenbusses zu CAN-Datenstrom sehen. Die Signale, die das Steuergerät sendet, fehlen, da die Verbindung zum Steuergerät unterbrochen ist. Nach der Fehlersuche mit dem Diagnosetester und nach den Spannungsmessungen können defekte Busleitungen mit einem Ohmmeter von Steuergerät zu Steuergerät durchgemessen werden. Defekte Kabel werden einfach ersetzt, CAN-High und CAN-Low müssen jedoch miteinander verdrillt sein. Spezielle Software macht den Datenstrom auf dem CAN-Bus sichtbar. Was sich hinter den Zahlen und Buchstabenkombinationen verbirgt, ist ein Geheimnis der Autohersteller und nur in mühevoller Kleinarbeit selbst zu entschlüsseln. 96

9 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION Fehlerbilder im CAN-Bus Masseschluss an der CAN-Low-Leitung. Dadurch liegt Can-Low auf 0Volt, CAN-High arbeitet normal weiter. Plus-Schluss an der CAN-High-Leitung. Dadurch liegt Can-High auf 12Volt, CAN-Low arbeitet normal weiter. Plusschluss an der CAN-Low-Leitung. Dadurch liegt Can-Low auf 12Volt, CAN-High arbeitet normal weiter. Schluss zwischen CAN-High und CAN-Low. CAN-High setzt sich durch und CAN-Low wird überschrieben bzw. hört auf zu schalten. Unterbrechung der CAN-Low-Leitung (gemessen an der Steuergerätseite). CAN-High arbeitet normal, auf CAN-Low sind nur die Signale zu sehen, die das Steuergerät sendet. Die Signale des Datenbusses fehlen, da die Verbindung zum Bus unterbrochen ist. Unterbrechung der CAN-Low-Leitung (gemessen an der Kabelbaumseite). CAN-High arbeitet normal, auf CAN-Low sind nur die Signale des Datenbusses zu sehen. Die Signale, die das Steuergerät sendet, fehlen, da die Verbindung zum Steuergerät unterbrochen ist. CAN-Software für den PC Wer noch tiefer in die Datenübertragung mit dem CAN-Bus einsteigen möchte, hat dazu mit entsprechender Software am PC die Möglichkeit. Die Programme zeigen sämtliche auf dem Bus gesendeten Datentelegramme, die man dadurch lesen und teilweise auch entschlüsseln kann. Prioritäten sind mit diesem Werkzeug auszulesen. Es besteht sogar die Möglichkeit, über den PC die einzelnen Aktoren am Fahrzeug anzusteuern, wenn man den richtigen Code kennt. Beobachtet man einen Datenbus per Software, ist zu erkennen, dass die Steuergeräte ständig Daten senden, wiederholen und empfangen. Geeignete Programme sind zum Beispiel: PCAN-Explorer von PEAK-System CAN-Interface von IFAK System, CANalyzer von VECTOR- Informatik 97

10 0931/ Die Welt der Nullen und Einsen Die Begriffe der Datenverarbeitung Foto: Archiv Die Wertigkeit kann man mit Zweierpotenzen (2 0, 2 1, 2 2, 2 3 usw.) schreiben. Beim Dualsystem steigen die Zweierpotenzen von rechts nach links von Stelle zu Stelle an. Die Ziffern 0 und 1 an diesen Stellen sind dann Faktoren der Stellenwerte und geben an, ob der Stellenwert mit 0 oder 1 zu multiplizieren ist. Das Binärsystem ist besonders wichtig in der Digitaltechnik, da die Ziffern der Binärzahlen leicht durch komplementäre Zustände wie Strom an/strom aus oder Spannung vorhanden/keine Spannung vorhanden symbolisiert werden können. Auf diese Weise sind sehr fehlerresistente Schaltungen möglich. Wer tief in die Diagnose eines Bussystems einsteigen möchte, sollte unbedingt über detaillierte Kenntnisse der elektronischen Datenverarbeitung verfügen. Die nächsten Abschnitte erläutern einige wichtige Begriffe. Das Dualsystem Damit die verschiedenen Steuergeräte miteinander kommunizieren können, sind sie mit einem Kabel, der Datenleitung, parallel verbunden. Über diese Datenleitung werden die Informationen als Spannungssignale gesendet, wobei es aber nur zwei Schaltzustände gibt, z. B.: Spannung 5V = Zustand 1 (high) Spannung 0V = Zustand 0 (low) Aus diesen beiden Ziffern muss sich ein Computer sein eigenes Zahlensystem aufbauen. Man nennt dieses Zweiersystem auch Dualsystem (lat. duo = zwei) oder auch Binärsystem (lat. bini = je zwei). Im 17. Jahrhundert führte der Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibnitz das Binärsystem ein, da hiermit Berechnungen einfach und effizient durchzuführen waren. Bei unserem Dezimalsystem (oder Zehnersystem) verzehnfacht sich der Wert einer Ziffer mit jeder weiteren Stelle (Einer, Zehner, Hunderter,...) Beim Dualsystem verdoppelt sich dagegen der Wert einer Ziffer bei jeder weiteren Stelle. Es gibt also dort Einer, Zweier, Vierer, Achter usw. Beispiel Logikpegel In der Digitalelektronik werden die beiden Signalzustände 0 und 1 durch zwei verschiedene Spannungspegel dargestellt. Eine Leitung kann entweder den Logikpegel H (high) oder den Logikpegel L (low) besitzen. H (high) kann bedeuten: Ein Schalter ist geschlossen, Eine Glühlampe leuchtet, Eine Spannung hat einen bestimmten Wert überschritten. L (low) kann bedeuten: Ein Schalter ist geöffnet, Eine Glühlampe ist dunkel, Eine Spannung hat einen bestimmten Wert unterschritten. Bei integrierten Schaltungen ist die Spannung 0 Volt nur mit Einschränkungen zu verwirklichen, da stets die Rest- oder Sättigungsspannung des durchgeschalteten Transistors in Höhe einiger 1. Stelle 1: 2 0 = 1 x 1 = 1 2. Stelle 0: 2 1 = 0 x 2 = 0 3. Stelle 1: 2 2 = 1 x 4 = 4 4. Stelle 0: 2 3 = 0 x 8 = 0 5. Stelle 1: 2 4 = 1 x 16 = 16 die Summe der Stellen =

11 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION Zehntel Volt verbleibt. So lässt sich für die Logikpegel demnach kein konkreter, eng tolerierter Wert angeben, sondern nur ein gewisser Spannungsbereich. Alle Spannungen, die niedriger als + 0,8 Volt sind, werden als L und alle Spannungen, die größer als +3,2 Volt sind, als H interpretiert. Spannungen, die zwischen 0,8 Volt und 3,2 Volt liegen, können nicht eindeutig einem bestimmten Logikpegel zugeordnet werden und dürfen daher nicht vorkommen. Prinzip der seriellen Datenübertragung Alles über Bit und Byte Das Bit, ein Kurzwort aus den Begriffen Binary (Binär) und Digit (Ziffer). Es bezeichnet die kleinste Informations- und Speicherungseinheit in der elektronischen Datenverarbeitung. Der Informationsinhalt eines Bit kann nur 0 oder 1 sein und entspricht einer einfachen Ja-Nein-Entscheidung, zum Beispiel durch: die Stellung eines Schalters mit zwei Zuständen (Lichtschalter ein oder aus), den Schaltzustand eines Transistors (leitend oder nichtleitend), eine Spannung, die größer oder kleiner ist, als vorgegebene Grenzwerte. Um umfangreichere Informationen zu übertragen, ist es erforderlich, mehrere Schalter, also mehrere Bits parallel zu nutzen. Der Gesamtzustand einer solchen Informations-Einheit hängt dann vom Zustand jedes einzelnen Elements ab. Mit n Bits lassen sich 2 n verschiedene Zustände darstellen. So ergeben zum Beispiel zwei Bits vier verschiede Zustände: 00, 01, 10 und 11 Drei Bits ergeben acht mögliche Zustände: 000, 001, 011,111,110, 100, 010, und 101 Vier Bits ergeben 16 Zustände, fünf Bits 32 Zustände, usw. Jedes zusätzliche Bit verdoppelt die Anzahl der darstellbaren Zustände. In der Computertechnik werden 8 Bits (256 Zustände) zu einem Byte zusammengefasst. Ein Byte ist die kleinste ansprechbare Informationseinheit eines Computers. Bei 1024 Byte spricht man von einem Kilobyte, da hier nicht in Vielfachen von 1000 (Kilo), sondern in Vielfachen von 2 10, also von 1024 gerechnet wird. 8 Bit = 1 Byte 1024 Bytes = 1 Kilobyte (KB) 1024 Kilobyte = 1 Megabyte (MB) 1024 Megabyte = 1 Gigabyte (GB) Innerhalb dieses Bytes ist ein Bit umso höherwertiger, je weiter links es in der Bitfolge steht. Datenübertragung Unter dem Begriff Datenübertragung versteht man die Verbindung mehrerer Computer zum Austausch von Daten. Die digitalen Informationen werden in Datenbytes verarbeitet. Um diese Datenbytes von einem zum anderen Computer zu übertragen, müssen die Computer über Schnittstellen miteinander verbunden sein. In der Regel unterscheidet man zwischen Parallel- und Seriellschnittstellen. Parallele Datenübertragung Sollen mehrere Bits gleichzeitig übertragen werden, braucht man für jedes Bit eine eigene Leitung. Um ein Byte zu übertragen sind mindestens acht Datenleitungen und zusätzliche Steuerleitungen erforderlich. Über diese parallele Schnittstelle werden die Daten Byte für Byte übertragen. Vorteil: Schnellere Übertragung Nachteil: Dickere Kabel, Gefahr der gegenseitigen Störungen der einzelnen Adern, daher begrenzte Kabellänge. Serielle Datenübertragung Bei der seriellen Datenübertragung werden die Bits nacheinander übertragen. Hierbei ist lediglich eine Datenleitung erforderlich. Die meisten Prozessoren verarbeiten die Daten bitparallel, daher erfolgt beim Senden eine Umsetzung der Daten von parallel in seriell und beim Empfang eine Umsetzung von seriell in parallel. Vorteil: Nur wenige Leitungsadern sind notwendig. Nachteil: Niedrige Übertragungsrate. Protokollkenndaten (z. B. Rate, Bytelänge) müssen ggf. vorher vereinbart werden. Übertragungsgeschwindigkeit Um die Leistungsfähigkeit einer Kommunikationsverbindung zu beurteilen, ist die Übertragungsgeschwindigkeit von großer Bedeutung. Die Einheit für den Datendurchsatz ist BPS Bit pro Sekunde. Bei den heute üblichen hohen Übertragungsraten sind ebenso die Einheiten kbit/s Kilobit pro Sekunde und MBit/s Megabit pro Sekunde gebräuchlich. Die Übertragungsgeschwindigkeit sollte nicht mit der Schrittgeschwindigkeit verwechselt werden, die in Baud angegeben wird. 99

12 0931/ Datenformate Der CAN-Datenbus verwendet zur Datenübertragung das NRZ-Format. Die Baudrate gibt die Anzahl der übertragenen Informationseinheiten pro Sekunde an. Bei fast allen Systemen sind jedoch Baudrate und Übertragungsgeschwindigkeit identisch, da jede Informationseinheit genau einem Bit entspricht. Kommunikationsnetze Bei der Kommunikation mit mehreren Teilnehmern sind die Verbindungsleitungen gleichzeitig Sende- und Empfangsleitung. Den Ablauf der Kommunikation koordinieren zusätzlich übertragene Steuerdaten, die im Übertragungsprotokoll definiert sind. Anhand dieser Informationen lassen sich bei jeder Nachrichtenübertragung die Nutzdaten, die Quelle der Nachrichten und das Ziel eindeutig identifizieren. Binäre Informationsdarstellung Je nach Übertragungsmedium werden die Daten elektrisch, mit Licht oder per Funksignal übertragen. Dabei ist jedoch noch nicht bestimmt, wie sich die beiden binären Zustände (0 und 1) voneinander unterscheiden. Abhängig davon, wie die Nullen und Einsen den Zuständen Low und High zugeordnet sind, spricht man von positiver Logik: 0 = Low, 1 = High oder negativer Logik: 0 = High, 1 = Low. NRZ- und RZ-Formatierung Ein bei Datenübertragungen sehr verbreitetes Format ist das NRZ-Format Non-Returnto-Zero, das auch der CAN- Bus verwendet. Jedes Bit wird durch einen Rechteckimpuls dargestellt, dessen zeitliche Dauer durch die Baudrate fest vorgegeben ist. Das Vorhandensein des Impulses kennzeichnet den High-, das Fehlen den Low-Zustand. Beim RZ-Format Returnto-Zero dauern die Impulse nur eine halbe Bitperiode, so dass schon während des High-Zustandes auf Bezugspotenzial zurückgeschaltet wird. Übertragungsverfahren Ein Nachrichtenpaket erscheint während einer digitalen Übertragung als Bit-Datenstrom auf der Signalleitung. Aus der Sicht des Empfängers stellt sich ein solcher Bit-Datenstrom als eine Folge unterschiedlich langer Impulse dar. Damit diese Impulsfolge wieder in die ursprüngliche digitale Darstellung umgeformt werden kann, muss der Empfänger wissen, zu welchem Zeitpunkt die Signale auf den Datenleitungen gültig sind, wann sie also ein Bit repräsentieren. Sender und Empfänger müssen sich deshalb während der Übertragung synchronisieren. Die Datenübertragungsverfahren lösen dieses Problem entweder durch eine synchrone oder eine asynchrone Datenübergabe. Synchrone Übertragung Bei der synchronen Übertragung sind die Signale auf den Datenleitungen immer dann gültig, wenn ein gemeinsam genutztes Taktsignal einen bestimmten Zustand einnimmt (z. B. Taktflankengesteuert). Das Taktsignal muss getrennt vom Datensignal auf einer zusätzlichen Leitung übertragen werden. Asynchrone Übertragung Bei der asynchronen Übertragung wird kein Taktsignal übertragen. Auch wenn Empfänger und Sender mit der selben Frequenz arbeiten, führt schon die geringste Differenz dazu, dass sie nach einiger Zeit nicht mehr synchron laufen. Vermieden wird dies, wenn sich der Empfänger in möglichst kurzen Abständen auf die Sendefrequenz synchronisiert. Dies geschieht zu Beginn eines jeden Bytes, welches mit zusätzlichen Start- und Stopbit gekennzeichnet wird. Mit der ersten Signalflanke des Startbits synchronisiert der Empfänger seinen internen Bit-Takt auf die Empfangsdaten. Die folgenden Bits tastet er jeweils in der zeitlichen Bitmitte ab. Nach den sieben oder acht Datenbits folgt ein zur Fehlererkennung eingefügtes Paritätsbit und zum Ab- Übertragungsarten Bei der synchronen Datenübertragung (links) ist ein Taktsignal erforderlich, damit Sender und Empfänger exakt synchron arbeiten können. Bei der asynchronen Datenübertragung richten sich die Steuergeräte an der Flanke zwischen Stop- und Startbit aus

13 VERNETZUNG UND KOMMUNIKATION GESCHICHTE DES CAN-DATENBUSSES Das CAN-System wurde von Bosch speziell für den Einsatz im Kraftfahrzeug-Bereich entwickelt. CAN steht für»controller Area Network«, frei übersetzt Steuergeräte-Bereich Netzwerk (die Steuergeräte im Bereich des Fahrzeuges sind miteinander vernetzt). Die Anforderungen an diesen Datenbus waren: hohe Datenrate (Antriebsbereich) sichere Übertragung (Bremse) preisgünstige Ankopplung 1983 beginnt die Entwicklung des CAN-Protokolls bei Bosch entsteht eine Kooperation zwischen Bosch und Intel zur Chip- Entwicklung ist der erste CAN-Serienchip von Intel verfügbar. Daimler Benz beginnt mit der CAN-Entwicklung im Kraftfahrzeug kommt es zur ersten Serienanwendung (Mercedes S-Klasse, Motorbus). Die technischen Eigenschaften sowie niedrige Preise sorgen dafür, dass CAN auch außerhalb der Automobiltechnik zu einem weit verbreiteten Protokoll wird wird der CAN-Bus auch in Kleinwagen (z.b. Opel Corsa) im Triebstrang und Karosseriebereich eingesetzt. schluss ein oder zwei Stopbits. Da sich der Empfänger jedes Mal neu synchronisiert, sind die Anforderungen an die zeitliche Konstanz von Senderund Empfänger-Taktfrequenz nur gering. Fazit In der Praxis zeigt sich, dass es mit dem eigentlichen CAN- Bussystem beziehungsweise mit den Datenleitungen kaum Probleme gibt. Wenn hier Fehler auftraten, wurden sie in den meisten Fällen vom Hersteller bereits behoben, bevor ein Fahrzeug auf den Markt kam. Fehler, welche durch die Montage an einem Fahrzeug entstehen, sind meistens Kurzschlüsse oder Unterbrechungen an den Busleitungen, die relativ schnell diagnostiziert und behoben werden können. Auch die Nachrüstung verschiedener Komponenten an einem Fahrzeug stellt in der Regel keine besonderen Probleme dar. Beispielsweise ist die Nachrüstung einer Anhängerkupplung oder eines Navigationssystems an einem VW Golf ohne eine Anmeldung der neu dazugekommenen Steuergeräte am Bus möglich, selbst wenn die Teile aus dem Zubehör stammen. Selbstverständlich müssen die Nachrüstteile zur Nachrüstung eines VW Golf vorgesehen sein. Durch die Kompatibilität der Steuergeräte werden die neuen Knoten sofort erkannt und in den Bus integriert. Die rasante Entwicklung der Mikro-Elektronik und Mikro-Mechanik hat es ermöglicht, den Aufbau der Fahrzeugsysteme zu verbessern, zu vereinfachen und viele neue Funktionen zu verwirklichen. Für den Fahrer ist nicht erkennbar, dass sein Fahrzeug mit einem Bussystem ausgerüstet ist. Der Servicetechniker jedoch muss sein Wissen über das Zusammenspiel der verschiedenen Steuergeräte eines Datenbussystems in seine Diagnosestrategie mit einbeziehen. So gelangt er schnell zu der Erkenntnis, dass ein Bussystem wie der CAN-Bus mit einem Diagnosetester und einem Oszilloskop diagnostizierbar ist. Wer sich intensiver mit der CAN-Bus-Technik beschäftigen möchte, als das mit diesem Sonderteil möglich ist, hat dazu Gelegenheit mit dem interaktiven Lernsystem Datenverarbeitung im Kraftfahrzeug (siehe Kasten). Auf der Internetseite kann sich jeder interessierte Mitarbeiter im Kfz- Gewerbe kostenfrei für dieses Programm akkreditieren. Die Grundlagen der Datenbus- Technik sollte inzwischen jeder in der Kfz-Werkstatt beherrschen, egal ob er sich hauptsächlich mit Karosseriearbeiten oder mit Systemtechnik beschäftigt. Schließlich ist sie inzwischen Standard in allen Fahrzeugklassen. Edwin Gallus LERNEN CAN JEDER Datenverarbeitung im Kfz ist ein neues Lernprogramm im Internet. Es vermittelt die grundlegenden Sachverhalte der Datenkommunikation im Auto praxisnah und herstellerunabhängig. Dieses Lernsystem haben die in den Original-Marken-Partnern zusammengeschlossenen Unternehmen dem ZDK für die überbetriebliche Ausbildung zur Verfügung gestellt. Jedoch haben nicht nur die Bildungszentren des Kraftfahrezugewerbes und die einschlägigen Berufsschulen Zugriff auf das Programm. Generell kann sich jeder interessierte Mitarbeiter des Kfz-Gewerbes kostenfrei unter registrieren lassen und erhält dann die Zugangsdaten für das Programm. Der Zugang übers Internet erlaubt es den Lernenden an jedem Computer mit Internetzugang das Programm aufzurufen, ohne dabei auf eine CD-ROM angewiesen zu sein. Folglich können viele Weiterbildungsinteressierte das Programm gleichzeitig nutzen. 101