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.
Inhaltsverzeichnis
1. EINFÜHRUNG
1.1. Ausgewählte Feldbusse im Überblick
1.1.1. IEC-Feldbus
1.1.2. Profi-Bus
1.1.3. FIP-Bus
1.1.4. P-Net-Bus
1.2. Übersicht der Kommunikation
1.2.1. Das Referenzmodell der Datenkommunikation
1.3. Aktor-Sensorebene
1.4. Kontrollfragen zu Kapitel 1
2. GRUNDLAGEN NETZTOPOLOGIE
2.1. Stern Topologie
2.2. Bus Topologie
3. NACHRICHTENAUSTAUSCH PRODUCER-CONSUMER PRINZIP
3.1. Multimasterfähige, ereignisorientierte Nachrichtenübertragung
3.2. Verlustlose, bitweise Busarbitrierung
3.3. Prioritätsorientierte Nachrichtenübertragung
3.3.1. Bitrate und Buslänge
3.4. Einfache Realisierung von lokalen Netzen
3.5. Kontrollfragen zu Kapitel 2 und 3
3.6. Busstation
3.7. CAN-Controller/Microcontroller
3.8. Can-Bus-Treiber
3.9. Busleitung
3.10. Busabschluss
4. ÜBERTRAGUNG IM CAN-BUS
4.1. Busübertragungszeiten
4.2. Zeitliche Synchronisation der Netzknoten
4.3. Kontrollfragen zu den Kapiteln 4 bis 5.3:
4.4. Telegrammtypen
4.4.1. Datenrahmen und Anforderungsrahmen
4.4.2. Fehler- und Overloadrahmen
4.5. Rahmenformate
5. ELEMENTE DES DATENRAHMENS UND DEREN FUNKTIONEN
5.1. Start of Frame/End of Frame
5.2. Arbitration Field (Arbitrierungsfeld, Vorrangfeld)
5.2.1. Festlegung der Prioritäten
5.2.2. Inhaltskennzeichnung
5.3. Felder zur eigentlichen Datenübertragung
5.3.1. Datenfeld
5.3.2. Steuerfeld (Control Field)
5.4. Felder zur Übertragungssicherung
5.4.1. CRC-Feld
5.4.2. ACK-Feld
5.5. Kontrollfragen zu diesem Kapitel 5.4 und 6:
6. IMPLEMENTIERUNGSANSATZ
6.1. Kritische Fragen bei der Implementierung eines CAN-Bussystems
6.2. Methodik zur Nachrichtenfindung und Priorisierung
7. ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Seminararbeit verfolgt das Ziel, eine grundlegende Einführung in das von der Firma Bosch entwickelte Controller-Area-Network (CAN) zu geben und dessen Einordnung in die Automatisierungstechnik sowie die fahrzeuginterne Kommunikation zu verdeutlichen. Die zentrale Forschungsfrage adressiert dabei, wie durch die Dezentralisierung von Funktionen und den Einsatz serieller Bussysteme die Anforderungen an Effizienz, Echtzeitfähigkeit und Datensicherheit in industriellen und automotiven Anwendungen erfüllt werden können.
- Grundlagen der Automatisierungstechnik und Feldbussysteme.
- Struktureller Aufbau und Netztopologien bei Feldbussen.
- Funktionsweise des CAN-Bus-Protokolls (Producer-Consumer Prinzip, Arbitrierung).
- Komponenten und Implementierung eines CAN-Bussystems.
- Methodik zur Nachrichtenpriorisierung in komplexen Systemen.
Auszug aus dem Buch
3.1. Multimasterfähige, ereignisorientierte Nachrichtenübertragung
CAN ist ein Multi-Master-Übertragungssystem. Dies bedeutet, dass der Buszugriff dezentral geregelt werden muss. Dies wird bei CAN mittels "Carrier Sense multiple Acces/Collission Avoidence" ( CSMA/CA ) realisiert. Jeder Busteilnehmer hört ständig am Bus mit und kann sofort einen Sendewunsch signalisieren, sobald der Bus frei ist. Wollen nun mehrere Teilnehmer gleichzeitig senden, wird der Buszugriff durch eine sogenannte Arbitrierungsphase geregelt
Jeder Teilnehmer (Netzknoten) eines CAN-Netzwerkes kann mit dem Senden einer Nachricht beginnen, sobald er den Bus als frei erkennt. Da es vorkommen kann, dass gleichzeitig mehr als ein Netzknoten mit dem Versenden einer Nachricht beginnt, ist ein Auswahlverfahren erforderlich, welches sicherstellt, dass nach Ablauf eines Arbitrierungsverfahrens (Buszugriffsteuerung) tatsächlich nur ein Teilnehmer mit dem Senden seiner Nachricht fortfährt.
Da jeder Teilnehmer einen Nachrichtentransfer initiieren kann, ist ein direkter Nachrichtenaustausch zwischen allen Teilnehmer des Netzwerks möglich. Damit ist es auch möglich, Nachrichten nur dann zu übertragen, wenn dies zweckmäßig ist, d.h. ein entsprechendes Ereignis aufgetreten ist. Gegenüber einer zyklischen Nachrichtenübertragung ergibt sich eine wesentlich niederere Busbelastung bzw. Reduktion der erforderlichen Datenübertragungsrate.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINFÜHRUNG: Dieses Kapitel erläutert die zunehmende Dezentralisierung in der Automatisierungstechnik und definiert die Rolle von Feldbussen, speziell des CAN-Bus, im industriellen und automotiven Umfeld.
2. GRUNDLAGEN NETZTOPOLOGIE: Hier werden die physikalischen und logischen Anordnungen von Netzwerken, insbesondere Stern- und Bustopologien, hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Vor- und Nachteile untersucht.
3. NACHRICHTENAUSTAUSCH PRODUCER-CONSUMER PRINZIP: Das Kapitel detailliert das CAN-spezifische Kommunikationsmodell, bei dem Nachrichten ereignisorientiert versendet und über Identifier priorisiert werden.
4. ÜBERTRAGUNG IM CAN-BUS: Hier stehen die harten Echtzeitanforderungen, Busübertragungszeiten sowie die verschiedenen Telegrammtypen wie Daten- und Anforderungsrahmen im Fokus.
5. ELEMENTE DES DATENRAHMENS UND DEREN FUNKTIONEN: Dieses Kapitel analysiert den detaillierten Aufbau des CAN-Datenrahmens, von Start- und Arbitrierungsfeld bis hin zur Übertragungssicherung mittels CRC.
6. IMPLEMENTIERUNGSANSATZ: Ein praktischer Ansatz zur Implementierung eines CAN-Bussystems im Fahrzeug wird vorgestellt, inklusive einer Methodik zur Nachrichtenfindung und Priorisierung innerhalb von Projektteams.
7. ZUSAMMENFASSUNG: Das Fazit fasst die Relevanz von Feldbussen zusammen und hebt die methodischen Herausforderungen bei der Implementierung dezentraler Systeme hervor.
Schlüsselwörter
CAN-Bus, Feldbussysteme, Automatisierungstechnik, Netztopologie, Echtzeitanforderungen, Busarbitrierung, Datenrahmen, Nachrichtenaustausch, Producer-Consumer Prinzip, Mikrocontroller, Implementierung, Priorisierung, Datensicherheit, Steuergeräte, OSI-Schichtenmodell
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Grundlagen und die praktische Umsetzung des Controller-Area-Network (CAN), einem seriellen Bussystem, das primär in der Automobilindustrie und industriellen Automatisierung für die Vernetzung intelligenter Komponenten eingesetzt wird.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen Feldbus-Grundlagen, Netztopologien, das Producer-Consumer Prinzip bei der Datenübertragung, Busarbitrierung, Fehlererkennung, das Frame-Format von CAN sowie methodische Ansätze zur Implementierung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, dem Leser ein tiefgreifendes Verständnis für die Funktionsweise eines CAN-Bussystems zu vermitteln, insbesondere im Hinblick auf seine Echtzeitfähigkeit und Priorisierungsmechanismen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturrecherche zu bestehenden Feldbussystemen und einer ergebnisorientierten Gruppenarbeit, in der ein Methodik-Ansatz zur Implementierung eines CAN-Systems innerhalb von Projektteams entwickelt wurde.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Nachrichtenaustausch, die Topologien, die Komponenten des CAN-Knotens (Controller, Treiber, Leitung), die Übertragungsmechanismen sowie der detaillierte Aufbau des CAN-Datenrahmens analysiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind CAN-Bus, Feldbussysteme, Arbitrierung, Echtzeitfähigkeit, Datenrahmen, Netztopologie und Implementierung.
Warum ist die "Wired-And-Verknüpfung" beim CAN-Bus essenziell?
Sie ermöglicht eine zerstörungsfreie bitweise Arbitrierung. Durch den dominanten Pegel auf dem Bus können Teilnehmer, die eine Nachricht mit niedrigerer Priorität senden, ihren Sendevorgang erkennen und abbrechen, ohne die Nachricht mit der höchsten Priorität zu stören.
Warum ist ein Busabschlusswiderstand zwingend erforderlich?
Der Abschlusswiderstand verhindert Reflexionen des Signals an den Enden der Busleitung, die andernfalls das Originalsignal überlagern und zu Übertragungsfehlern führen würden.
Warum ist die Unterscheidung zwischen 11-Bit und 29-Bit Identifiern wichtig?
Der Standard-Identifier (11 Bit) erlaubt bis zu 2048 unterschiedliche Nachrichten, was in vielen Anwendungen ausreicht. Der erweiterte Identifier (29 Bit) ist jedoch notwendig für komplexe Systeme mit einer sehr hohen Anzahl an zu unterscheidenden Nachrichten.
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- Wolfgang Kopp (Author), 2005, CAN-BUS und Automatisierungstechnik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/45195
