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Busverkehr im Kraftfahrzeug

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Busverkehr im Kraftfahrzeug. Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen Informationsaustausch zwischen den Steuergeräten. . Konventionelle Verkabelung.

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Presentation Transcript
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Busverkehr im Kraftfahrzeug

Im Automobilbereich erfordert die Entwicklung von Steuergeräten mit systemübergreifenden Funktionen einen regen Informationsaustausch zwischen den Steuergeräten.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Konventionelle Verkabelung

Die konventionelle Verbindung der Steuergeräte erfordert für jede Dateninformation eine eigene Datenleitung.

Getriebe-Steuerung

Motronic

E-Gas

ABS/ASR/ESP

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Konventionelle Verkabelung

Nachteile:

  • Immer mehr Leitungen mit entsprechend vielen Steuergerätepins und Steckverbindungen sind erforderlich.
  • System- und Funktionserweiterungen sind sehr aufwändig.
  • Die Fehlerquote ist vergleichsweise hoch.
  • Eine Zentraldiagnose aller Steuergeräte und Komponenten ist schwierig.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Verbindung der Steuergeräte über Datenbus

Eine Datenleitung überträgt codiert alle Signale der Steuergeräte.

ABS

ASR/ESP

E-Gas

Motronic

GS

CAN

CAN

CAN

CAN

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Verbindung der Steuergeräte über Datenbus

Vorteile:

  • Höhere Zuverlässigkeit
  • Einsparung einer Vielzahl von Leitungen und Steckverbindungen
  • Sensoren mehrfach nutzbar
  • Neue Funktionen möglich
  • Systemkonfiguration flexibler
  • Geringere Systemkosten

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Eine erste Busversion in Kraftfahrzeugen war der Kabelbaum-Multiplexer, den verschiedene Hersteller einsetzten.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Hier werden von einem Sender (Multiplexer) Daten (Schalterstellungen) seriell über eine Leitungzu einem Empfänger (Demultiplexer) übertragen und dort die Ausgänge (z. B. für Relaisansteuerungen) entsprechend geschaltet.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Die serielle Übertragung der Daten kann man sich wie Morsen

(oder Rauchzeichen)

vorstellen:

Kurze und lange Signale werden über die Datenleitung geschickt.

Dabei stellt jedes Signal eine Schalterstellung dar.Lang bedeutet dabei z. B. Schalter aus, kurz bedeutet Schalter an.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Ein Oszilloskopbild des Signals ist hier zu sehen (kein Schalter betätigt, also alle 8 Informationsdoppelbits high):

Informationsbits für Schalter 1(beide high, also langes Signal)

Pause zwischen den Informationsbits (immer 2 Bitlängen)

Startbits low (immer 2 Bitlängenhier je ca. 0,16 ms entspr. 6250 Bit/s)

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Hier sind Schalter 4 und 7 betätigt, daher ist dort jeweils das erste Bit high, das zweite low, so dass ein kurzes Signal entsteht:

Informationsbits für Schalter 4 und 7(jeweils high + low, also kurzes Signal)

Obwohl als reine Informationslänge 8 Bits ausreichen würden, werden zu besseren Synchronisation nach dem Startdoppelbit pro Informationseinheit (Schalter) 2 Bits + 2 Pausebits = 4 Bits übertragen.„Der Demultiplexer kann dann gewissermaßen besser mitzählen“Das sind folglich insgesamt 2 + 8*4 Bitlängen pro Informationsblock. (hier 34 * ca. 0,16 ms, also etwa 5 ms).

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

Zwischen jedem Informationsblock sind bei diesem System etwa 9 ms Pause, so dass die Schaltsignale ca. alle 14 ms übertragen werden.

Informationsblöcke

Pause

Pause

Auch dies dient der besseren Synchronisation.

Die Minus-Flanke des Startbits wird eindeutig einem neuen Informationsblock zugeordnet, das Zählen der Plus-Flanken für die kurzen und langen Informationsbits kann beginnen.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

  • Übungsphase:
  • Computer – Demoprogramm
  • Schulungstand mit Leybold-Interface und Fluke-Oszilloskop
  • Schaltung mit 8 Bit Baustein und 16 Bit BMW Fensterheberschalter
  • Signale Datenleitung und Ausgang (Leybold)
  • Kaffeepause

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

  • Nachteile:
  • Datenübertragung nur in eine Richtung möglich
  • Keine weiteren „Steuergeräte“ anschließbar
  • Datenmenge auf einige Bits begrenzt
  • Nur für binäre Signale sinnvoll
  • Übertragungsrate langsam

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die Lösung ist der CAN – Datenbus! Controller Area Network

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

  • Vorteile:
  • Datenaustausch in alle Richtungen zwischen mehreren Steuergeräten
  • Schon beim Standard-CAN 64 Datenbits pro Datenpaket möglich
  • Für Erweiterungen oft nur Software Änderungen erforderlich
  • Durch viele Absicherungen im Datenprotokoll geringe Fehlerquote
  • Mehrfachnutzung von Sensorsignalen möglich
  • Sehr schnelle Datenübertragung
  • Weltweite Normung, daher Datenaustausch auch zwischen Steuergeräten verschiedener Hersteller möglich

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Historie:

Die Grundzüge des CAN-Datenprotokolls wurden 1981 von den Firmen Bosch und Intel definiert.

1983 erfolgte die erste Normung zur ISO 11898

1987 standen die ersten Transceiver-Bausteine zur Verfügung

1992 wurde der CAN Verein gegründet dem u. a. folgende Firmen angehören:

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die Global Player:

SIEMENS

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Anwendungsbereiche:

- Kraftfahrzeugtechnik

- Landmaschinentechnik

- Medizintechnik

- Werkzeugmaschinen (CNC, Robotik)

- Gebäudeleittechnik

- Textilmaschinen

- Fern- und Nahverkehrstechnik

- Aufzüge, Rolltreppen

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Entwicklungstendenz der Can-Bus Technologie

(Bis Mitte 2000 hatte allein Philips 100 Millionen CAN-Transceiver hergestellt)

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Topologie Teil 1:

Buskonfiguration:

Nur eine logische Busleitung, aber in der Praxis verdrillte Zweidrahtleitung.

Geometrische Ausdehnung:

Maximal 40 m bei 1 MBit/s

1000 m bei 20 kBit/s

Anzahl der Knoten pro System:

32 Knoten Standard

64 bis 128.... Spezielle Leitungstreiber

Übertragungsrate:

<5 kBit/s bis 1 MBit/s programmierbar

Datenkapazität:

0 bis 8 Bytes/Botschaft

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Topologie Teil 2:

Botschaftsformate:

Standardformat (11 Bit Identifier) oder

erweitertes Format (29 Bit Identifier)

Botschaftslänge:Maximal

130 Bits (Standardformat) oder

150 Bits (erweitertes Format)

Maximale System-Erholzeit

nach Störungen:Typisch 17 bis 23 Bit-Zeiten

(in Sonderfällen bis zu 29 Bit-Zeiten)

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Spezifikation nach SAE (Society of Automotive Engineers) :

Klasse A Anwendungen:

Kommunikation im Chassis- Elektronik Bereich

weniger intelligente Knoten (Schalter, Schließer, Sitz-, Spiegelverstellung

und Leuchten) -> Botschaften sind sehr kurz, Bitrate < 10 kBit/s

Klasse B Anwendungen:

höherwertige Informationen als bei Klasse A (Amaturenbrett,

Klimaregelung) -> Bitrate 40 kBit/s

Klasse C Anwendungen:

Echtzeitkritischer Informationstransfer, Zykluszeit 1-10 ms

(Motor- und Getriebesteuerung, Stabilitätskontrolle usw.)

Bitrate 250-1000 kBit/s

Klasse D Anwendungen:

recht lange Datenblöcke einige 100 Byte bis einige kByte

( Radio- und CD-Player, Telefon, Navigationshilfen, usw.)

Bitrate 1-10 MByte/s

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Beispiel für Spezifikation nach SAE (Daimler Benz W203):

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Spezifikation nach ISO (Intern. Standardisation Organisation) :

Low-Speed- Kommunikationsbereich:

Bitrate unterhalb 125 kBit/s

High-Speed- Kommunikationsbereich:

Bitrate oberhalb von 125 kBit/s

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Busaufbau:

Jede Station (Netzwerkknoten/Steuergerät) verfügt über einen sogenannten Transceiver = Transmitter + Receiver (Sender und gleichzeitig Empfänger).

Verbunden sind sie über verdrillte (Twisted Pair) Kabel mit Abschlusswiderständen an den Busenden.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Datenprotokoll:Originalaufnahme vom Auswertprogramm des CAN-Schulungsstandes (oben CAN-high unten CAN-low)

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Oszilloskopbild Low-Speed CAN-Bus:

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Bitauszählung:

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Oszilloskopbild High-Speed CAN-Bus VW Lupo TDI (3l):

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die einzelnen Bitblöcke:

Startbit: (Start of Frame - SOF)

1 Bit

Wie beim Multiplexer geht nach einer Pause in der CAN-low Leitung der Signalpegel auf Null – das Senden eines Datenblockes beginnt.

Statusfeld: (Identifier)

11 Bit bei Standard (Basic) 29 Bit beim erweiterten (extended) CAN

Hier wird die Wichtigkeit des Signals festgelegt, es findet die sogenannte Arbitrierung statt, d.h. das Festlegen, welches der Steuergerätesignale Vorrang beim Senden hat, wenn mehrere Steuergeräte Startbits gesendet haben.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Synchronisation

Der CAN Datenbus

Zur Arbitrierung:In der CAN-low Leitung ist das niedrigere Bit dominant, d. h. Station S3 hat gewonnen und darf weitersenden.

Stop Senden

Station S1

Station S2

Station S3

Bus- Leitung

Daten

Arbitrationsfeld

SOF

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die einzelnen Bitblöcke:

Anforderungsbit: (Remote Transmission Request - RTR)

1 Bit

Gehört noch zum Arbitrierungsfeld, aber nicht mehr zum Identifier. Es hat die Aufgabe, Informationen von anderen Steuergeräten anzufordern, wenn es nicht gesetzt ist.

Kontrollfeld: (Data Length Control – DLC)

6 Bit

Die ersten beiden Bits sind (angeblich) reserviert für extended CAN, nur die letzten 4 Bit beinhalten die Längeninformation, d. h. die Zahl der folgenden 8-Bit Datensegmente.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die einzelnen Bitblöcke:

Datenfeld: (Data)

Je 8 Bit (max. 8 Blöcke=Bytes basic / max. 256 Blöcke=Bytes full)

Hier kommen die eigentlichen Daten in Segmenten zu je 8 Bit (=1 Byte) – die Informationen über Schalterstellungen, Sensorsignale usw.

Sicherungsfeld: (Check Receive Control -CRC)

16 Bit

Aus den gesendeten Datenblöcken wird eine Prüfsumme gebildet und gleichfalls gesendet, damit ein Empfänger sie mit der Prüfsumme der tatsächlich empfangenen Daten vergleichen und eventuelle Übertragungsfehler erkennen kann.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die einzelnen Bitblöcke:

Bestätigungsfeld: (Acknowledge Field - ACK)

2 Bit

Hier bestätigt der Empfänger dem Sender den korrekten Empfang der Daten, gewissermaßen ein Quittungsfeld.

Endefeld: (End of Frame - )

7 Bit

Die Länge kann variieren, da hier weitere Fehlerprotokolle ausgetauscht werden können.Verschiedene Mechanismen können auch mitten in der Übertragung der Daten Übertragungsfehler signalisieren.

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Der CAN Datenbus

Die einzelnen Bitblöcke:

Bitstuffing:

Je 1 Bit

Damit sich der Empfänger nicht „verzählt“ (waren das jetzt 5 oder 6 Bits?) wird nach 5 gleichen Bits grundsätzlich ein „gegenpoliges“ Bit eingestreut, damit der Empfänger wieder eine Flanke zum „Zählen“ bekommt.Der Empfänger filtert diese Bits wieder heraus (Nach dem Motto: Kommen 5 gleiche Bits hintereinander, ignoriere ich grundsätzlich das folgende Bit).

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Das Multiplex-Datenbussystem

  • Übungsphase:
  • Computer – Auswertprogramm
  • Schulungstand mit Fluke-Oszilloskop
  • Lupo mit High-Speed CAN-Bus und Fluke
  • Anregungen, Kritik, CD, Ausklang

Datenbussysteme im Kraftfahrzeug