Mikrocomputer. CAN- Controller

Transkript

1 Arbeitsblatt 1 4. Signalerzeugung auf den Datenleitungen 4.1 CAN-Komfort (Low-Speed) Aufbau und Arbeitsweise eines Busteilnehmers Überwiegend besitzen CAN-Ankopplungen den in der folgenden Abbildung gezeigten dreistufigen Aufbau. Für einen Sendevorgang schreibt der Mikrocomputer der Anwendung die Nutzdaten (den Identifier, die Festlegung, ob dieser Frame ein Daten- oder Remote-Transmission Request-Frame ist, die Angabe, wie viele Datenbytes gesendet werden sollen und die auszusendenden Datenbyts) in den Sende-Datenpuffer des CAN-Controllers, der diese dann für die Übertragung auf dem Bus vorbereitet und das komplette Protokoll zum Transceiver-Baustein überträgt, der für die direkte Busankopplung verantwortlich ist. Das heißt, der CAN-Controller entlastet den Mikrocontroller von allen Datenübertragungsarbeiten, da er die Zusammenstellung der Botschaft, die Berechnung der CRC-Summe, den Zugriff auf den Bus (die Busarbitrierung), das Aussenden des Frames und die Fehlerüberprüfung selbstständig übernimmt. In Empfangsrichtung läuft der Prozess entgegengesetzt ab. Der CAN-Cotroller schreibt die aus dem empfangenen Frame herausgetrennten Nutzdaten nach der Fehlerüberprüfung und der Akzeptanzfilterung in seinen Empfangs-Zwischen-Speicher. Hier stehen dann der Frame-Identifier, das RTR-Bit, die Datenfeldlänge und die Datenbytes für den Mikrocontroller des Steuergerätes bzw. der Anwendung bereit. Ist die Empfangsfilterung ausgeschaltet, wird jede empfangene Botschaft ausgewertet. Mikrocomputer Anwendung Datenbus Steuerbus CAN- Controller Botschaften TX0 RX0 5V Vcc RXD Transceiver PCA 82C252 bzw. TJA 1054 V bat WAKE 12V Elektrische Signale CAN-H CAN-L Aufbau eines Busteilnehmers War die Übertragung erfolgreich, erhält der Mikrocomputer der Anwendung eine Bestätigung. War sie fehlerhaft oder wurde sie von anderen Busteilnehmern nicht empfangen, gibt der CAN-Controller eine Fehlermeldung weiter. Beim Senden und Empfangen wirkt der CAN-Controller für den Mikrocomputer der Anwendung wie ein zusätzlicher Speicher, in den er die zu übertragenden Daten hineinschreibt bzw. aus dem er die empfangenden Daten entnimmt.

2 Arbeitsblatt Zuordnung der Schichtbezeichnungen zum Blockschaltbild des CAN-Übertragungssystems Ordnen Sie dem Blockschaltbild auf der vorigen Seite die Schichtbezeichnungen (Elektrische Signale, Botschaften und Anwendung) zu. Vergleichen Sie dazu das ISO/OSI Schichtenmodell Aufbau und Arbeitsweise des Transceivers Der Transceiver ist die physikalische Schnittstelle zwischen dem CAN-Controller und den Busleitungen. Er besteht hauptsächlich aus einem Sender (Treiber) und einem Empfänger (Vergleicher ). Beide Baugruppen sind mit den Busleitungen CAN-H und verbunden. Der Name Transceiver setzt sich aus den Bezeichnungen Transmitter (Sender) und Receiver (Empfänger) zusammen. Nach der Übertragung der Nutzdaten vom Mikrocomputer der Anwendung an den CAN-Controller gelangt das serielle Ausgangssignal des CAN-Controllers über den Anschluss TX0 zum Anschluss des Transceiverbausteins, der an seinen Ausgängen die Bussignale, und auf das Datenübertragungsmedium schaltet. Das Empfangssignal vom Bus liegt am Anschluss RXD des Tranceivers an und wird von dort in den CAN-Controller (RX0) eingelesen. Hier erfolgt die Umsetzung der einzelnen Bits und die Abarbeitung der CAN-Botschaft. Das Ergebnis wird anschließend über die parallelen Datenleitungen vom Mikrocomputer der Anwendung übernommen. Der Transceiver PCA82C252 wurde speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeugen entwickelt und bei der VAG im Komfortsystem der ll-generation eingesetzt. Bei einer maximalen Übertragungsrate von 125 kbit/s kann er maximal 15 Busknoten bedienen. In der III-Generation der Komfortelektronik fand der TJA 1054 Anwendung. Er ist pin und funktionskompatibel zum PCA82C252. Seine verminderte Störabstrahlung wurde durch die verbesserte Symmetrie der beiden Ausgangsspannungen erreicht. Weiterhin verfügt er über eine Kurzschlusserkennung gegen die Versorgungsspannung 5 V. Der neue Baustein kann bis zu 32 Busknoten treiben und toleriert im Eindrahtbetrieb Störspannungen von bis zu 1,5 V zwischen den Massepunkten. Im Gegensatz zu den Transceivern des Antriebsbusses sind die Bausteine PCA82C252 und TJA 1054 auch mit der Bordnetzspannung verbunden. Weiterhin besitzen sie die Möglichkeit, die Lastwiderstände komplett von Minus bzw. von der Spannungsversorgung wegzuschalten. Als Konsequenz der schaltbaren Lasten sind die Abschlusswiderstände bei diesen Transceivern bei abgeschalteter Spannungsversorgung nicht messbar Anordnung des Senders und Empfängers im Transceiver Das folgende Blockschaltbild zeigt die Anordnung des Senders und Empfängers imtransceiver. Ordnen Sie dem Blockschaltbild die folgenden Bezeichnungen zu: Can-Controller,,, Transceiver, Sender, Empfänger, RXD und. Bezeichnung RXD Aufgabe = Signaleingang für die Botschaften, die übertragen werden sollen = Signalausgang für die Botschaften, die empfangen wurden CAN- Controller RXD Empfänger Sender CAN-H CAN-L Transceiver Anordnung des Senders und Empfängers im Transceiver

3 Arbeitsblatt Simulationsschaltung zur Darstellung der und Spannungssignale Die folgende Darstellung zeigt die vereinfachte Innenschaltung des Transceivers für den CAN_Komfortbus. Heben Sie die Bauteile farbig hervor, die für die Funktion des Sendens verantwortlich sind. Zeichnen Sie anhand der Abbildung den Stromlaufplan für eine Simulationsschaltung, mit der die Spannungssignale auf der - und - Leitung erzeugt werden können. Hinweis: Auf der folgenden Seite finden Sie die erforderlichen Bauteile für die Simulationsschaltung. Hinweis: Wenn der Transceiver arbeitet, sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. S1 RTL CANH CANL RTH S2 GND 31 Quelle: Philips Vereinfachte Innenschaltung des Transceivers PCA82C V 1 kτ BC τ 4,7 kτ Treiber BD 135 1N4007 1N kτ BC 108 0V 470 τ Stromlaufplan für die Simulationsschaltung des Senders im Transceiver

4 Arbeitsblatt Für den Aufbau der Simulationsschaltung des Senders stehen die folgenden Bauteile zur Verfügung Funktionsgenerator Spannungsversorgung

5 Arbeitsblatt Aufbau einer Simulationsschaltung zur Erzeugung der Spannungssignale auf den Busleitungen Bauen Sie die folgende Schaltung auf und oszilloskopieren Sie die Spannungssignale auf der und Leitung mit einem 2-Kanal-Oszilloskop. Zeichnen Sie die Schaltzeichen des Oszilloskops in die Schaltung ein und bezeichnen Sie die und Leitungen. Ordnen Sie den Anschlüssen im Stromlaufplan die Bezeichnungen, RXD und Treiber zu. Übertragen Sie die Oszillogramme in das vorgegebene Raster. + 5V 1 kτ BC τ 4,7 kτ Treiber BD 135 1N4007 1N kτ BC 108 0V 470 τ Simulationsschaltung des Senders Oszillogramme der simulierten und Spannungssignale

6 Arbeitsblatt Aufbau einer Simulationsschaltung zur Erzeugung der Spannungssignale auf den Busleitungen mit einer Software (z.b. Electronics Workbench) Bauen Sie die Simulationsschaltung für den Sendeteil des Transceivers auf dem Bildschirm auf und oszilloskopieren Sie die Spannungssignale auf der und Leitung mit einem 2- Kanal-Oszilloskop. Drucken Sie den Stromlaufplan der Schaltung und die Oszillogramme aus und ordnen Sie den Anschlüssen und Bereichen im Stromlaufplan die Bezeichnungen, RXD und Treiber zu. Tragen Sie die Spannungswerte in die Oszillogramme ein. Simulationsschaltung zur Erzeugung der Spannungssignale auf den Busleitungen

7 Arbeitsblatt 7 Oszillogramme der simulierten und Signale

8 Arbeitsblatt Ermitteln Sie die in der Tabelle aufgeführten Spannungswerte aus den an der Simulationsschaltung aufgenommen Oszillogrammen. Signal auf der -Leitung 1 = Bit-Zeit Wert: z. B. 180µs 2 = Signalspannung (Spitze-Spitze) Wert: 4,4V 3 = Spannungswert von der Null-Linie bis zum Signal Wert: 0V Signal auf der -Leitung 1 = Bit-Zeit Wert: z. B. 180µs 2 = Signalspannung (Spitze-Spitze) Wert: 4,4V 3 = Spannungswert von der Null-Linie bis zum Signal Wert: 0.7V Welche Spannungswerte, bezogen auf die Nullspannungslinie, besitzen die Low- und High Pegel der und -Leitung? Spannungswerte der Low- und High Pegel an der Simulationsschaltung Leitung LOW-SIGNAL in Volt HIGH-SIGNAL in Volt 0 4,4 0, Arbeitsweise des Empfängers im Transceiver Warum werden beim CAN-System die digitalen Informationen mit entgegengesetztem Vorzeichen auf zwei Leitungen übertragen? Diese Übertragungstechnik verbessert die Übertragungssicherheit, da nur die Differenz der Leitungspegel als Nutzinformation weiterverarbeitet wird. Man nennt sie deshalb auch differentielle Übertragung. Diese Übertragungsart hat den Vorteil, dass sich von außen eingebrachte Störspannungen nicht auswirken, da sie auf beide Signalleitungen mit dem gleichen Vorzeichen einwirken und bei der Differenzbildung im Empfänger des Transceivers herausfallen. Beim Komfortsystem sichert die Zweidrahttechnik zusätzlich die Funktion des Systems bei einer Signalleitungsunterbrechung Welches elektronische Bauteil kann zur Differenzbildung genutzt werden? Zur Differenzbildung kann ein Operationsverstärker, der als Komparator arbeitet, genutzt werden.

9 Arbeitsblatt Zeichnen Sie in die folgende Abbildung die Schaltzeichen der Empfänger (Komparatoren) ein (Vergleichen Sie Ihre Lösung mit der Abbildung unter , ). Knoten A Knoten B Anwendung Mikrocontroller Anwendung Mikrocontroller CAN-Controller CAN-Controller RXD RXD Operationsverstärker als Empfangsmodul Kennzeichnen Sie im Blockschaltbild des Transceivers die Stelle, an der sich der Komparator (bzw. Empfänger) befindet. Quelle: Philips Vereinfachte Innenschaltung des Transceivers

10 Arbeitsblatt Simulationsschaltung des Empfängers Ergänzen Sie die Treiberschaltung mit der unten gezeigten Empfängerschaltung (Komparator). Zeichnen Sie das Schaltbild eines Oszilloskops an der Stelle ein, an der das resultierende Bus- Signal oszilloskopiert werden kann. Bezeichnen Sie die und -Leitung. Schließen Sie das Oszilloskop an die Schaltung an und oszilloskopieren Sie das Signal. Übertragen Sie das Oszillogramm in das vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte ein. 2,2kτ 2,2kτ 470kτ V 0V Operationsverstärker kτ Komparator als Empfänger 10,8V 8,2V 2,6V Oszillogramm am Ausgang des Operationsverstärkers

11 Arbeitsblatt Oszilloskopieren Sie die Differenzspannung der CAN-Leitungen (Simulationsschaltung) mit einem potentialfreien Oszilloskop und übertragen Sie das Oszillogramm in das Raster. Tragen Sie die Spannungswerte ein. 4V - 4,8V Differenzspannung an den Signalleitungen der Simulationsschaltung Erläutern Sie, warum die Spannungswerte der Oszillogramme voneinander abweichen Auf der folgenden Seite sind die Spannungssignale der und -Leitung in einem Oszillogramm dargestellt. Ordnen Sie den Signalen im Oszillogramm die Bezeichnungen bzw. zu und zeichnen Sie das resultierende Spannungssignal ( V diff = V - V CAN-L ) in das vorgegebene Raster ein.

12 Arbeitsblatt Differenzspannung zwischen und -Leitung ( V diff = V - V CAN-L ) am realen System. Zeichnen Sie im unteren Raster die Differenzspannung ein. 0 0 U diff Differenzspannung zwischen und -Leitung ( V diff = V - V CAN-L )

13 Arbeitsblatt In der folgenden Abbildung ist ein Ausschnitt aus einem Oszillogramm zu sehen, das eine Störung auf den Spannungssignalen der und -Leitung zeigt. Zeichnen Sie in das vorgegebene Raster die Differenzspannung ( V diff = V - V CAN-L ) ein. Erläutern Sie das Ergebnis. Durch die Differenzbildung heben sich Störungen auf den Leitungen auf V/div 20µs/div Differenzspannung bei Störsignalen

14 Arbeitsblatt Übertragen Sie die folgenden Anschlussbezeichnungen des Transceivers in das Blockschalt- Schaltbild. Anschlussbezeichnungen TxD RxD RTL RTH Signaleingang (Botschaft, die gesendet werden soll) Signalausgang (Botschaft, die empfangen wurde) Abschlusswiderstand -Leitung Abschlusswiderstand -Leitung -Leitung Mikrocomputer der Anwendung -Leitung Datenbus Steuerbus CAN- Controller RX0 TX0 RXD GND Transceiver PCA82C252 GND V CC RTL RTH

15 Arbeitsblatt Bestimmung der Busabschlusswiderstände am CAN-Komfort Am realen System können die Busabschlusswiderstände nicht mit einem Widerstandsmessgerät bestimmt werden. Aufgabe 1: Begründen Sie diese Aussage anhand der folgenden Abbildung und der Beschreibung des Transceiverbausteins. Funktionsbeschreibung: Der PCA82C252 von Philips ist fehlertolerant und passt sich automatisch Busleitungsfehlern an. Ist der Bus in Ruhe, werden die Abschlusswiderstände RTH und RTL durch elektronische Schalter vom BUS weggeschaltet. S1 S2 GND Hinweis: Wenn der Transceiver arbeitet, sind die Schalter S1 und S2 geschlossen. RTL RTH (RTH = termination resistor ) (RTL = termination resistor ) 31 Quelle: Philips Die Abschlusswiderstände können nicht gemessen werden, da im Ruhezustand des Busses eine ihrer Anschlussleitungen unterbrochen wird. Aufgaben 2: a) Ordnen Sie im folgenden Stromlaufplan die Bezeichnungen RTL und RTH zu. b) Entwickeln Sie eine Messschaltung, mit deren Hilfe der Widerstandswert von mindestens einem der Abschlusswiderstände bei eingeschaltetem Bus indirekt bestimmt werden kann. c) Bauen Sie die Messschaltung auf und überprüfen Sie die von Ihnen erdachte Lösung. Protokollieren Sie den Prüfablauf und die Bestimmung des Abschlusswiderstandes. + 5V 1 kτ BC τ 4,7 kτ Treiber BD 135 1N4007 RTL 1N4007 RTH 1 kτ BC 108 0V 470 τ Messwiderstand Messschaltung zur Ermittlung eins Abschlusswiderstandes

16 Arbeitsblatt 16 Oszillogramm ohne Messwiderstand Oszillogramm mit Messwiderstand

17 Arbeitsblatt 17 Berechnung: Tragen Sie die aus den Oszillogrammen ermittelten Spannungswerte in die folgende Darstellung ein. R 1 U 1 = U ges U Mess R Mess R 1 = U ges U Mess U 1 = U ges U Mess R Messs U Messwert Weitere Fragen: Warum reicht es aus, nur einen der Widerstandswerte zu überprüfen? Da die Platinen der Steuergeräte durch Automaten bestückt werden, ist es wahrscheinlich, dass RTL und RTH gleiche fehlerhafte Werte besitzen. Widerstandsbestückung der aktuellen Steuergeräte Steuergerät Widerstandswerte in Ohm Zentrale Komfortelektronik 560 Türsteuergerät Fahrer 560 Türsteuergerät Beifahrer 560 Kombiinstrument 560 Türsteuergerät hinten links 5600 Türsteuergerät hinten rechts 5600 Lenksäulenmodul 5600 Memory Steuergerät 5600 Einparkhilfe 560