Vernetzte Systeme Touran und Golf ab 2003

Transkript

1 Arbeitsblatt Signalerzeugung (Local Interconnect Network) Grundsätzlicher Aufbau der Vernetzung Das ist die preisgünstige Alternative zum CAN und verbindet über kurze Entfernungen Steuerelemente wie Schalter, Displays, Sensoren und Aktoren. Mittlerweile ist der -Bus zum weltweiten Standard geworden. Local Interconnect bedeutet, dass sich alle Busteilnehmer innerhalb eines begrenzten Einbaubereiches befinden (z.b. in der Fahrer oder Beifahrertür.) Innerhalb der vernetzten Fahrzeugsysteme arbeitet ein -Subnetz nicht autonom, sondern ist über CAN--Schnittstellen bzw. Gateways immer im Gesamtnetz der Fahrzeuge eingebunden. Das wird deshalb auch als lokales Subsystem bezeichnet und wird das CAN nicht ersetzen, sondern nur ergänzen. Der -Standard ermöglicht die Einsparung weiterer Leitungen und wird dort zum Einsatz kommen, wo CAN bisher überdimensioniert ist, insbesondere im Bereich der Karosseriebusse. CAN_H CAN_L Mikrocomputer mit CAN-Schnittstelle Mikrocomputer mit CAN- und - Schnittstelle Master (Gateway) - Bus Spiegel SMO SFSV SEFT FHSFT Vernetzung ohne und mit Subnetz am Beispiel der Fahrertür An der linearen Topologie des _Busses können bis zu 63 Teilnehmer angeschlossen werden. Empfohlen wird jedoch eine maximale Anzahl von 16. In Abhängigkeit von den Aufgabe unterscheidet man bei den Busteilnehmern Master- und -Steuergeräte. Die Übertragungsrate kann zwischen 1 1 kbit/s und 20 kbit/s betragen, wobei 2,4 kbit/s, 9,6 kbit/s und 19,6 kbit/s zu bevorzugen sind. Bei der Netzausdehnung ist eine Obergrenze von 40m vorzusehen. Der -Bus arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 12V.Dadurch sind die Bus-Pegel immer auf U Bat (Bordnetzspannung) bezogen und keine zusätzlichen Spannungspegelumsetzer erforderlich Ergänzen Sie in den beiden Abbildungen die Bezeichnungen: CAN_L, CAN_H, Steuergerät mit CAN, Steuergerät mit CAN- und -Schnittstelle (Gateway und Master),, -Bus, Schließeinheit Fahrertür (SEFT), Schalter für Spiegelverstellung (SFSV), Spiegelmotoren (SMO), Zentralschalter für die Fensterheber in der Fahrertür (FHSFT),

2 Arbeitsblatt Aufbau der Busteilnehmer Ein -Busteilnehmer bzw. ein Knoten besteht aus einem Mikrocontroller und -Transceiver. Der Mikrocontroller besitzt eine spezielle -Schnittstelle für die Abarbeitung des -Protokolls. Dazu kommt noch ein Spannungsregler, der die Bordnetzspannung auf die vom Mikrocontroller geforderten 5V umwandelt. Da die Botschaftsübertragung beim grundsätzlich anders als beim CAN verläuft, benötigt man beim -Bus immer ein Master- und mindestens ein -Steuergerät. Zur Festlegung der Taktfrequenz verfügt nur der Master über einen Quarz-Oszillator. Die s arbeiten dagegen nur mit RC-Gliedern Master Das Master-Steuergerät fungiert als Gateway zwischen dem und CAN-Bus. Es hat die Kontrolle über den -Bus und den Ablauf der Protokollübertragung. So bestimmt es z.b., welche Botschaft zu welcher Zeit über den Bus geschickt wird. Weiterhin übernimmt der Master das komplette Fehlerhandling, synchronisiert den Bus mit seiner Zeitbasis, empfängt die Wake up Brakes der s bei Busruhe, kontrolliert Datenbytes und Checkbytes und die Diagnose des Systems. Bei der Diagnose bereitet er die vom - nach einer Anfrage gesendete Antwort für den Diagnosetester auf. Antwortet der nicht (Fehlermeldung: not responding error) erfolgt im Master nach fünf vergeblich abgefragten Botschaften (IDs = Identifiers) ein Fehlereintrag. CAN_H CAN_L CAN-Transceiver CAN-Controller Aufgabe: Ergänzen Sie in der Darstellung die folgenden Bezeichnungen: CAN-Transceiver, CAN-Controller, Mikrocomputer, -Transceiver, Master (Gateway),, Empfänger (E), Sender (S) CAN_L, CAN_L, -Bus Mikrocomputer Master (Gateway) Mikrocomputer Mikrocomputer E S E S E S -Transceiver -Transceiver -Transceiver Aufbau der Busteilnehmer (Master und ) An einem -Bus sind üblicherweise 2 bis maximal 16 s angeschlossen. Diese empfangen und übermitteln Daten, wenn eine passende Kennung (Identifier) vom Master gesendet wurde. Der innere Aufbau des s ist bis auf die CAN-Schnittstelle mit der des Masters identisch. Da der Master ebenfalls Daten übermittelt, kann auch er gleichzeitig sein.

3 Arbeitsblatt Arbeitsweise des Transceivers Der -Transceiver setzt die Signale der eindrahtigen -Busleitung auf eine Standard-Zweidraht- Schnittstelle zum Lesen und Schreiben der Daten zwischen dem Mikrocontroller und Transceiver um und schaltet die Signale auf den -Bus. Der Sendeteil für die Signalaufschaltung auf den Bus besteht aus einem Open-Collektor Treiber, der auf Masse durchschaltet, wenn ein dominanter Pegel, eine logische 0, gesendet werden soll. Eine logische 1 wird rezessiv bei ca. 12V erzeugt, wenn der Transistor nicht angesteuert ist. In dieser auch Wired-AND genannten Technik wird ein Pull-Up-Widerstand benötigt, der sich in allen Netzwerkknoten befindet. Im Master beträgt sein Wert 1 kohm, in den s 30kOhm. Die Diode vor dem Widerstand dient zum Schutz des Busses vor Knoten, die ihre Verbindung zur Fahrzeugmasse verloren haben. Weil das durch seine steilen Signalflanken bei gleichzeitig großem Spannungshub eine erhöhte Störabstrahlung verursacht, wird in der -Spezifikation eine maximale Anstiegs und Abfallzeit der Signalspannung von 1 bis 3V/µs vorgeschrieben. Die dadurch erreichte bessere EMV bewirkt allerdings eine Einschränkung der maximal möglichen Datenübertragungsrate, die bei 20kBit/s liegt. Als Empfangsteil dient ein Komparator, der den Spannungswert auf der Busleitung mit dem Wert der halben Versorgungsspannung vergleicht und das Ergebnis als TTL-Signal an den Mikrocontroller weitergibt. Bei einem Kurzschluss der -Bus-Leitung nach Masse oder Plus arbeitet der -Bus nicht mehr Stromlaufplan für eine Simulationsschaltung Aufgaben: a) Kennzeichnen Sie in der folgenden Abbildung die im Text genannten Funktionselemente. Quelle: Infinion Vereinfachte Innenschaltung des -Transceivers b) Zeichnen Sie einen Stromlaufplan für eine Simulationsschaltung, mit der die Signale des - Busses erzeugt und empfangen werden können. Die dafür notwendigen Bauteile sind in der Abbildung auf der folgenden Seite dargestellt.

4 Arbeitsblatt 4 Für den Aufbau der Simulationsschaltung des -Transceivers stehen die folgenden Bauteile zur Verfügung. Spannungsversorgung Lösung: Stromlaufplan + 12V Operationsverstärker kτ -Busleitung + - BD 135 1Hz=, 5V BC 108 0V Stromlaufplan für die Simulationsschaltung des -Transceivers

5 Arbeitsblatt Simulationsschaltung zur Darstellung der Spannungssignale auf dem -Bus a) Bauen Sie die folgende Schaltung auf und oszilloskopieren Sie das Spannungssignal auf der Bus- Leitung im Ruhezustand ( der Spannungswert des s ist auf 0V gestellt) Zeichnen Sie das Schaltzeichen des Oszilloskops in die Schaltung ein, an der die Spannungssignale auf der Busleitung gemessen werden. Bezeichnen Sie die -Busleitung. Übertragen Sie das Oszillogramm in das vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte ein. + 12V Operationsverstärker kτ -Busleitung + - BD 135 1Hz=, 5V BC 108 0V Simulationsschaltung des -Transceivers Oszillogramm der simulierten Spannungssignale (Ruhezustand)

6 Arbeitsblatt 6 b) Schalten Sie den ein und oszilloskopieren Sie das Signale auf der Busleitung. Übertragen Sie das Oszillogramm in das unten vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte ein. Oszillogramme der simulierten Spannungssignale c) Erläutern Sie das Oszillogramm

7 Arbeitsblatt Wirkungsweise der Empfängerschaltung Verändern Sie die Simulationsschaltung der Aufgabe , indem Sie vor den Kolektor des Transistors BC 108, wie im unten folgenden Stromlaufplan eingezeichnet, einen einstellbaren Widerstand einbauen. + 12V Operationsverstärker kτ - Busleitung 10 kτ BD 135 BC 108 1Hz=, 5V 0V Simulationsschaltung mit einstellbarem Widerstand vor dem Kolektor des BC 108 Aufgabe 1: Schließen Sie die Eingänge eines 2-Kanaloszilloskops an den -Bus und den Ausgang des Komparators an. Stellen Sie den einstellbaren Widerstand auf den Widerstandswert 0 kohm ein und oszilloskopieren Sie die Oszillogramme. Übertragen Sie diese in das folgende Raster und tragen Sie die Spannungswerte an den Kurven ein. 10,9V 2,6V 11,3V 0,2V

8 Arbeitsblatt 8 Aufgabe 2: Verändern Sie den Wert des einstellbaren Widerstandes in Richtung 10 kohm. Oszilloskopieren Sie die Spannungssignale am -Bus und dem Komparatorausgang. Tragen Sie die Spannungswerte in die Oszillogramme ein. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen. 10,9V 2,6V 11,2V 3,7V Beobachtungen: Obwohl sich das Spannungssignal auf dem -Bus ändert, bleibt das Signal am Ausgang des Komparators unverändert. Aufgabe 3: Erläutern Sie, warum sich die Schaltung so verhält. Da der Komparator auf die Spannungsdiffenz an seinen Eingängen reagiert, reicht das Spannungssignal auf dem -Bus aus, um ihn anzusteuern. Aufgabe 4: Bei welchen Spannungsverhältnissen könnte der Komparator nicht mehr arbeiten? Der Komparator könnte nicht mehr arbeiten, wenn das Spannungssignal auf dem -Bus den Spannungswert von U Bat1/2 annimmt.

9 Arbeitsblatt 9 Aufgabe 5: Verändern Sie die Simulationsschaltung wie im folgenden Stromlaufplan vorgegeben. Oszilloskopieren Sie ebenfalls die Signale auf dem -Bus und Komparatorausgang. Verändern Sie langsam den Widerstandswert des einstellbaren Widerstands, bis das Spannungssignal am Komparator nicht mehr angezeigt wird. Übertragen Sie beide Oszillogramme in das vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte an den Kurven ein. Erläutern Sie das Messergebnis. + 12V Operationsverstärker kτ - Busleitung kτ BD 135 BC kτ 1Hz=, 5V 0V 2,8V 5,7V 0,3V