CAN-BUS

von: Wolfgang Kopp

INHALTSVERZEICHNIS

1. EINFÜHRUNG 5

1.1. Ausgewählte Feldbusse im Überblick 6

1.1.1. IEC-Feldbus 6
1.1.2. Profi-Bus 6
1.1.3. FIP-Bus 7
1.1.4. P-Net-Bus 8

1.2. Übersicht der Kommunikation 9

1.2.1. Das Referenzmodell der Datenkommunikation 9

1.3. Aktor-Sensorebene 12
1.4. Kontrollfragen zu Kapitel 1 14

2. GRUNDLAGEN NETZTOPOLOGIE 15

2.1. Stern Topologie 15
2.2. Bus Topologie 16

3. NACHRICHTENAUSTAUSCH PRODUCER-CONSUMER PRINZIP 18

3.1. Multimasterfähige, ereignisorientierte Nachrichtenübertragung 19
3.2. Verlustlose, bitweise Busarbitrierung 19
3.3. Prioritätsorientierte Nachrichtenübertragung 20
3.3.1. Bitrate und Buslänge 20
3.4. Einfache Realisierung von lokalen Netzen 21
3.5. Kontrollfragen zu Kapitel 2 und 3 23
3.6. Busstation 26
3.7. CAN-Controller/Microcontroller 26
3.8. Can-Bus-Treiber 27
3.9. Busleitung 28
3.10. Busabschluss 30

4. ÜBERTRAGUNG IM CAN-BUS 32

4.1. Busübertragungszeiten 32
4.2. Zeitliche Synchronisation der Netzknoten 33
4.3. Kontrollfragen zu den Kapiteln 4 bis 5.3: 33
4.4. Telegrammtypen 34
4.4.1. Datenrahmen und Anforderungsrahmen 34
4.4.2. Fehler- und Overloadrahmen 35
4.5. Rahmenformate 35

5. ELEMENTE DES DATENRAHMENS UND DEREN FUNKTIONEN 37

5.1. Start of Frame/End of Frame 37
5.2. Arbitration Field (Arbitrierungsfeld, Vorrangfeld) 38

5.2.1. Festlegung der Prioritäten 38
5.2.2. Inhaltskennzeichnung 41

5.3. Felder zur eigentlichen Datenübertragung 42

5.3.1. Datenfeld 42
5.3.2. Steuerfeld (Control Field) 42

5.4. Felder zur Übertragungssicherung 42

5.4.1. CRC-Feld 43
5.4.2. ACK-Feld 43

5.5. Kontrollfragen zu diesem Kapitel 5.4 und 6: 44

6. IMPLEMENTIERUNGSANSATZ 45

6.1. Kritische Fragen bei der Implementierung eines CAN-Bussystems 45
6.2. Methodik zur Nachrichtenfindung und Priorisierung 46

7. ZUSAMMENFASSUNG 48

8. ANHANG 49

8.1. Abbildungsverzeichnis 49
8.2. Literaturverzeichnis 49

KURZFASSUNG

In dieser Seminararbeit wird nach einer Einführung in die Automatisierungstechnik mit der Erklärung des Begriffes Feldbereich auf den durch die Firma Bosch entwickelten CAN Bus eingegangen. Um einen Überblick in die Thematik zu bekommen werden die wichtigsten Feldbusse kurz angeschnitten. Die Grundlage der Kommunikation ist das OSI Schichtenmodell, dies wird im Bereich der für Feldbusse wichtigen Kommunikationsebenen beschrieben ebenso wird auch auf die einzelnen Schichten selbst eingegangen. Über die Verbindung der Aktoren u. Sensoren, sprich das Netzwerk, wird eine Übersicht über die Topologie und Netzstrukturen gegeben. Auf Nachrichtenaustausch, Multimasterfähigkeit, priorisierte Übertragungen wird im Detail eingegangen. Mit der Information über verschiedene Leitungsmedien, den Busabschluss und Treibern erfolgt ein weiterer Schritt zum Verständnis über ein CAN Bussystem. Im Zusammenhang mit der Übertragung im CAN-Bus werden Busübertragungszeiten und Synchronisationen durchleuchtet. Als letztes Kapitel werden die Elemente des Datenrahmens und deren Funktionen genau untersucht, auf die einzelnen Felder wie z.B. Datenfeld, Steuerfeld usw. eingegangen. Im Implementierungssatz befindet sich der innovative Gedanke für die Methodik zur Realisierung eines CAN Bus Systems in einem Fahrzeug.

1. EINFÜHRUNG

Die moderne Automatisierungstechnik ist gekennzeichnet durch eine zunehmende Dezentralisierung von Verarbeitungs- sowie Ein- und Ausgabefunktionen über Datenkommunikationssysteme. Der Einsatz serieller Bussysteme an Stelle konventioneller Verbindungstechniken gewährleistet einerseits eine höhere Flexibilität von Systemen in Bezug auf Änderungen und Erweiterungen und eröffnet andererseits in vielen Bereichen der industriellen Automatisierung ein erhebliches Potential zur Reduktion des Aufwandes für Projektierung und Installation. Der Einsatz serieller Datenkommunikationssysteme ist deshalb heute z. B. im Anlagenbau keine Frage mehr. In Untersuchungen wurde das Einsparpotential einer feldbusbasierenden Lösung gegenüber einer, auf herkömmlicher Signalübertragung basierenden Lösung auf ca. 40 % geschätzt. Neben den Einsparungen bei den Hardwarekosten ergeben sich insbesondere auf Grund der Vorteile im Bereich von Planung und Montage erhebliche Einsparmöglichkeiten.

Mit dem ursprünglich aus der Verfahrenstechnik stammenden Begriff des "Feldbereichs" wird heute allgemein jener Teil eines Automatisierungssystems verstanden, welcher in räumlicher Nähe oder direkter Verbindung zum eigentlichen technischen Prozess steht. Der Feldbereich umfasst also alle Geräte und Einrichtungen (Feldgeräte), die direkt mit einem zu steuernden oder zu überwachenden Prozess in Interaktion treten. In zunehmendem Maße werden auch Sensoren und Aktoren mit "Intelligenz" (integrierten Verarbeitungsfunktionen) ausgeführt, d. h. mit Einrichtungen, die einen Teil der erforderlichen Systemfunktionalität bereits vor Ort erbringen. Serielle Datenkommunikationssysteme für den Datenaustausch im Feldbereich werden als "Feldbussysteme" bezeichnet. In der industriellen Automatisierung wird dieser Begriff generell verwendet, um Datenkommunikationssysteme der untersten Automatisierungsebene von Kommunikationssystemen höherer Funktionalität und Übertragungskapazität abzugrenzen. Auch Kommunikationssysteme für die Realisierung verteilter Geräte- und Elektroniksysteme werden als "Feldbusse" bezeichnet. Die Vernetzung von Teilsystemen sowie vereinfachte Verbindungs- und Verkabelungstechnik über serielle Bussysteme hat sich auch im Bereich der fahrzeuginternen Elektroniksysteme durchgesetzt. Eine dominierende Rolle hat hierbei das von der Firma BOSCH spezifizierte Controller-Area-Network (CAN) erlangt. Dieses Feldbuskonzept hat darüber hinaus in der Zwischenzeit eine weit über den Einsatz in Kraftfahrzeugen hinausgehende Bedeutung für die Vernetzung dezentraler intelligenter Systeme in einer Vielzahl industrieller Anwendungen gefunden und stellt heute das fast ausschließlich eingesetzte Kommunikationskonzept für sog. "embedded" Anwendungen dar.

Auch aus dem Bereich der Gebäudeautomatisierung haben erweiterte Anforderungen an die Installationstechnik zu neuen, spezifischen Lösungsansätzen in Form serieller Datenkommunikationssysteme geführt, deren allgemeiner Einsatz längerfristig zu einer völlig veränderten Installationstechnik, nicht nur für große Gebäude, führen kann. Obwohl die große Vielfalt verfügbarer Feldbuslösungen auf den ersten Blick verwirrend sein mag, haben tatsächlich nur wenige Lösungen maßgebliche Marktanteile erreicht und können als Industriestandards betrachtet werden. Die Auswahl des für einen bestimmten Einsatzbereich bestgeeigneten Feldbussystems kann leider nicht nur unter technischen Gesichtspunkten betrachtet werden; vielmehr ist die Einbeziehung vor allem marktstrategischer Gesichtspunkte erforderlich. Verschiedene Ansätze, das für einen bestimmten Einsatzbereich bestgeeignete Bussystem über formalisierte, zahlenmäßige Bewertungsschemata zu ermitteln oder in Form von Auswahlchecklisten zu bestimmen, sind daher höchstens für den völligen Neueinsteiger von Interesse und können eher als rein akademische Übung betrachtet werden.

1.1. Ausgewählte Feldbusse im Überblick

Es existieren derzeit ca. 50 verschiedene Feldbusse, an manchen Literaturstellen wird von 150 gesprochen. Aus dieser Anzahl von Feldbussen werden hier die Bekanntesten kurz vorgestellt. Die Betrachtung dieser Feldbusse soll zum besseren Verständnis des CANBusses beitragen und nicht die hier vorgestellten Feldbusse in allen ihren spezifischen Eigenschaften erläutern. Das deutlichste Unterscheidungsmerkmal resultiert aus dem Zielgebiet, auf das die Anwendung des Feldbusses orientiert ist. Bei Feldbussen mit einer Orientierung auf "höherer" Ebene findet man höhere Kosten pro Knoten, höheren Datendurchsatz bei größeren Paketlängen (mehrere hundert Bytes bis mehrere Kilobytes), Multimasterfähigkeit und ungenügende oder undefinierte Reaktionszeiten bei Echtzeitanwendungen.

1.1.1. IEC-Feldbus

Der IEC-Feldbus existiert noch nicht. Er soll in erster Linie ein Standard werden, der interoperable Feldbusse für verschiedene Zielanwendungen definiert. Grundlage dazu sollte ursprünglich der Profi-Bus sein. Einen international genormten Bus auf der Grundlage des FIP-Bus verfolgte die auch relativ mächtige Organisation World-FIP. Im Juli 1995 wurde ein Zeitplan vorgelegt, der eine Markteinführung für einen Low-Speed-Bus (31,25 kbit/s) plante. [Eng02]

1.1.2. Profi-Bus

Der Profi-Bus wurde 1991 in der DIN 19245 standardisiert. Kurzbeschreibung seiner Eigenschaften: Es hat immer nur ein Master das Zugriffsrecht auf den Bus. Alle anderen Kommunikationsteilnehmer sind dann Slaves. Hat der aktuelle Master seine Kommunikation beendet, dann gibt er das Zugriffsrecht (das Token) an den nächsten Master weiter. Diese Weitergabe erfolgt ringförmig, während die Datenübertragung über einen linearen Bus erfolgt. Für die Datenübertragung zwischen der Steuerungs- und der Sensor/Aktor-Ebene werden jedoch keine kleinen Zugriffszeiten erreicht. [Eng02] Der Profi- Bus ist multimasterfähig (es gibt mehrere Master). Es sind die Schichten 1, 2, 7 definiert, wobei die Anwenderschicht sehr komfortabel ausgestattet ist. Er ist sehr schnell bei größeren und kleinen Datenpaketen. Die Kosten pro Knoten sind relativ hoch. In Deutschland ist der Profibus neben dem CAN-Bus der bekannteste Feldbus (Unterstützung durch Siemens). [Eng02]

Abbildung 1.1: Topologie PROFIBUS -DP [Eng02] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

1.1.3. FIP-Bus

Das FIP-Protokoll ist eine französische Entwicklung. Der FIP-Bus gilt als Pendant zum Profi-Bus und hat einige grundsätzlich andere Eigenschaften als der Profi-Bus. Die grafische Topologie ist in der Abbildung 1.2 unten dargestellt. Es können maximal 256 Geräte einschließlich eines Arbiters (Master) installiert werden. Der gesamte Buszugriff wird von einem Steuerwerk, welches sich an einem beliebigen Knoten befinden kann, bestimmt. Der Master vergibt an alle Teilnehmer den Token. Wenn ein Teilnehmer den Token erhalten hat, ist er sendeberechtigt (Producer). Durch die dann erfolgte Meldung auf dem Bus ist der Querverkehr (Producer-Consumer) zwischen den Slaves möglich. [Eng02]

Abbildung 1.2: Topologie FIP-Bus [Eng02] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

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