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Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 2: CAN Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Bild 2.7_1 Quelle: VW


Bild 2.7_2

VW Phaeton:- drei Bussysteme (Antrieb, Komfort, Info), ein optischer Bus und Sub-Busse- 61 vernetzte Steuergeräte- 250 CAN-Botschaften- 2500 Signale- 3860 m Kabel

Quelle: Automobilelektronik 03/2004, VW

CAN


Bild 2.7_3

Netz-Struktur Bus-Struktur

• Serielles System• Kurze Stichleitungen• Vereinfachte Verdrahtung• Strenge Kommunikationsregeln erforderlich!

• Vermaschtes Netz• Punkt-zu-Punkt-Verbindungen• Viele Signalwege und dicke Kabel• Hohe Kosten und Fehleranfälligkeit

Quelle: Bosch

Controller Area Network (CAN)

Controller Area Network (CAN) ist ein serielles Bussystem, welches von Intel und Bosch ursprünglich für den Einsatz in Automobilen entwickelt wurde.


Bild 2.7_4

• Der CAN-Bus ist ein serielles Bussystem, bei dem alle Teilnehmer gleichberechtigt

sind, d.h. jedes Steuergerät kann unabhängig senden und empfangen.

• CAN adressiert im Gegensatz zu anderen Protokollen nicht die Teilnehmer, sondern die

übermittelte Nachricht. Der Teilnehmer entscheidet, ob er die Daten benötigt oder nicht.

1983 Beginn der Entwicklung des CAN- Protokolls bei Bosch

1987 Der erste CAN-Serienchip von INTEL ist verfügbar

1992 Erste Serienanwendung (Mercedes S- Klasse)

1993 Internationale Normung als ISO 11898

1995 Über 3 Millionen CAN-Bussysteme im Kfz-Bereich

CAN- Bus Entwicklung

CAN- Controller Area Network


Bild 2.7_5

Automatikgetriebe-Steuergerät

Automatikgetriebe-Steuergerät

ABS/EDS-SteuergerätABS/EDS-Steuergerät

Motor-SteuergerätMotor-Steuergerät 11

22

33

CAN Bus Prioritätenfolge

Quelle: VW


Bild 2.7_6

Übertragungssystem

Netzknoten: Besteht aus einem Mikro-Kontroller, CAN-Kontroller und BustreiberMikrokontroller: Steuert den CAN-Kontroller und bearbeitet Sende- und EmpfangsdatenCAN-Kontroller: Ist verantwortlich für den Sende- und EmpfangsbetriebBustreiber: Senden bzw. Empfangen des BuspegelBusleitung: Zweidrahtleitung (verdrillt oder abgeschirmt)Busabschluss: Widerstände zur Vermeidung von Reflexionen.

Quelle: Audi


Bild 2.7_7

CAN - Buspegel

Quelle: Bosch


Bild 2.7_8

CAN-High

CAN-Low

0 Volt

Dominant logisch 0

Rezessiv logisch 1

Logik CAN-High CAN-Low DifferenzpegelRezessive 1 2,5 Volt 2,5 Volt 0 Volt Dominant 0 3,5 Volt 1,5 Volt 2 Volt

Quelle: Audi

CAN – Buspegel Messung


Bild 2.7_9

Datenbus-Leitung

Steuergerät 1 Steuergerät 2 Steuergerät 3 Steuergerät 4

Daten übernehmen

Daten übernehmen

Daten bereitstellen

Datenprüfen

Daten empfangen

Datenprüfen

Datenprüfen

Daten empfangen

Daten empfangen

Daten senden

Ablauf einer Datenübertragung

1. Daten bereitstellen

Die Daten werden dem CAN-Controller vom Steuergerät zum Senden bereitgestellt.

4. Daten prüfen

Die Steuergeräte prüfen, ob sie die empfangenen Daten für ihre Funktionen benötigen oder nicht.

5. Daten übernehmen

Sind die Daten wichtig, werden sie übernommen und verarbeitet, ansonsten vernachlässigt.

2. Daten senden

Der CAN-Transceiver bekommt vom CAN-Controller die Daten, wandelt sie in elektrische Signale um und sendet sie.

3. Daten empfangen

Alle anderen Steuergeräte, die mit dem CAN-Datenbus vernetzt sind, werden zu Empfängern.

Quelle: Audi


Bild 2.7_10

Data Field:

Infodaten

0- 64 bit

Data Field:

Infodaten

0- 64 bit

Acknowledgement Field:Bestätigt ob Botschaft fehlerfreiempfangen wurdeACK Bit: 0= korrekter EmpfangACK Delimiter: 1 rezessives Bit

2 bit

Acknowledgement Field:Bestätigt ob Botschaft fehlerfreiempfangen wurdeACK Bit: 0= korrekter EmpfangACK Delimiter: 1 rezessives Bit

2 bit

0

001 011 011 01

0

001 011001 011 011 011 111 011 111 101 000 111 00

001 011 111 011 111

01

1111111

Remote Transmission Request (RTR):

Datafield (0) oderRemotefield (1)

1 bit

Remote Transmission Request (RTR):

Datafield (0) oderRemotefield (1)

1 bit

Cyclic Redundancy Check:

15 bit

Cyclic Redundancy Check:

15 bit

End of Frame:

Markiert das Ende einerBotschaft.

7 bit

End of Frame:

Markiert das Ende einerBotschaft.

7 bit

Control Field:IDE-Bit: CAN 2.0A oder BR0: reserviertDLC: LängeNachricht

6 bit

Control Field:IDE-Bit: CAN 2.0A oder BR0: reserviertDLC: LängeNachricht

6 bit

Identifier:

Inhalt der Botschaft für die Akzeptanzprüfung

11 bit

Identifier:

Inhalt der Botschaft für die Akzeptanzprüfung

11 bit

Start of Frame Identifier Kontrolle Dateninhalt Checksumme Empfangstempel Ende

Aufbau Datenprotokoll

Start of Frame:Markiert den Anfang einerBotschaft.

1 bit

Start of Frame:Markiert den Anfang einerBotschaft.

1 bit

011 001 111 111 011 111 101 000 111 001 11

Quelle: Vw


Bild 2.7_11

Botschaftsrahmen

Quelle: Braess

Standard CAN Format (CAN 2.0 A)

Extended CAN Format (CAN 2.0 B)


Bild 2.7_12

Aufgabe: Auswerten folgender Botschaft

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

SO

F

RT

R

De

limite

r

De

limite

r

Identifier Control Daten CRC-Feld


Bild 2.7_13

CAN Datenverkehr: Auswertung

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

SO

F

RT

R

De

limite

r

De

limite

r

1 0 0 3 FF 01 A4 6 C 6 E

Identifier Control Daten CRC-Feld

0


Bild 2.7_14

Arbitrierungsverfahren

Netzknoten 1

Netzknoten 2

Netzknoten 3

Buspegel

Identifier ControlField

DataField

RTR

SOF

listen

listen

rezessiv

dominant

0 1 2 3 4 5 6 7 9 108

Quelle: Bosch


Bild 2.7_15

Methoden der Bitcodierung

PWM

Manchester

NRZ

0 1 0 0 0 1 1 1 0

None Return to Zero

Pulsweitenmoduliert

Quelle: Audi


Bild 2.7_16

Bit-Stuffing

Stuff = Stopfen > Stuffingregel

NRZ > Vorteil: geringere Frequenz < 50% als bei anderen BitcodierungenNachteil: fehlende Synchronisierung bei vielen gleiche Bits hintereinanderAbhilfe: Einstopfen eines invertierten Synchronisierbits nach einem 5. gleichen Bit.

Empfänger filtert eingestopfte Bits wieder heraus.

Quelle: Audi


Bild 2.7_17 Quelle: Audi

Bit-Stuffing


Bild 2.7_18

Fakten und Eigenschaften CAN

- Low Speed - CAN (ISO11519-2) mit Bitraten < 125 kBit/s

- High Speed - CAN (ISO11898) mit Bitraten > 125 kBit/s

- Minimale Datenrate = 10 kBit/s

- Maximale Datenrate = 1 MBit/s (max. 40 m Leitungslänge)

- Zweidrahtleitung

- Terminierung mit 120 Ω Abschlusswiderstand

- Maximale 32 Busteilnehmer

- Standard CAN Format (CAN 2.0 A)

- Extended CAN Format (CAN 2.0 B)


Bild 2.7_19

Reduzierung Montagezeit

-

- Unterstützung Modulbauweise(z.B. Lenksäulenmodul

5 Arbeitsschritte → 2)- Modultests dezentral

Qualitätssteigerung

- Weniger Steckkontakte- 100% diagnostizierbar- Verbesserung EMV

bei optischem Bus

Bus

neue Möglichkeiten- Integriertes Bedienkonzept- Sprachbedienung- Animierte Bedienungsanleitung- Fahrzeugferndiagnose- Unfallvermeidendes Fahrzeug- Komfortfunktionen

(z. B. keyless entry)- Software Updates- erweiterte Diagnosemöglichkeiten

- Verteilung von Funktionen auf Steuergeräte

Steigerung Flexibilität,Erweiterungsfähigkeit- Änderungen durch Software- Teilweise Plug & Play

Kosteneinsparung

- weniger Leitungen- Mehrfachnutzung Sensorik- Ausnutzung von Restkapazitäten in Steuergeräten durch verteilte Funktionen

Reduzierung Gewicht/Volumen- Weniger Leitungen- Teilw . dünnere Leitungen- Unterbringung wo Platz ist- Mehr Funktionalität

pro Leitung

Vorteile von Bussystemen

Quelle: Audi


Bild 2.7_20

CAN-Kfz-Anwendungen

• Im Antriebsstrang:

– Bei der Antriebsschlupfregelung sind die Eingriffe in die Zündung, die Einspritzung und die Drosselklappenstellung zu koordinieren.

• In der mobilen Kommunikation:

– Vernetzung von Mulitmedia-Komponenten wie Autoradio, Telefon, CD-Wechsler, Navigations- und Fahrerinformations-systemen etc.

• Im Karosserie- und Komfortbereich:

– Anzeigen, Beleuchtung, Zugangsberechtigungen, Diebstahl-warneinrichtungen, Sitz- und Spiegelverstellung, Klimaregelung, Scheibenwischer etc.


Bild 2.7_21

Einsatzgebiete CAN

Personen- und Lastkraftwagen

- Motorsteuerungen

- Sensoren

- Aktoren

- Entertainment

Öffentliches Verkehrs- und Transportwesen

- Personenbeförderung und Güterverkehr

- Signalüberwachung und Signalsteuerung

- Fahrgast - Informations - Systeme

Industrie und Automatisierung

- Maschinensteuerung

- Robotersteuerung

- Überwachungssysteme

Haus- und Energietechnik

- Fahrstuhl - Kontrollsysteme

- Markisensteuerung bei Sonneneinstrahlung

- Klimatisierungsautomatik

- Raum/Temperatur - Regelung

- Lichtanlagen - RegelungEmbedded Systems

- Haushaltsgeräte

- Kassensysteme

- Spielautomaten

- Büromaschinen


Bild 2.7_22

CAN Architektur

Quelle: Bosch


Bild 2.7_23

CAN Komponenten

Steuergerät

CAN Controller

TX RXRxRx = =

EmpfangsmodulEmpfangsmodulTx =

Sendemodul

Transceiver

Quelle: VW


Bild 2.7_24

CAN Low

CAN High

orange/braun

orange/schwarz

orange/braun

orange/grün

orange/braun

orange/violett

orange/braun

orange/rot

orange/braun

orange/blau

Antrieb

Komfort

Infotainment

CAN Diagnose

Kombi

CAN Bus Datenleitung

CAN Farbcodierungen

Quelle: VW


Bild 2.7_25

CAN Software

Quelle: Vector, Ixxat


Bild 2.7_26

Blinkeransteuerung via CAN

Verknüpfung mit D3 Richtungsblinken.exe.lnk

Quelle: Audi


Bild 2.7_27

CAN – Datenbusvernetzung: Gateway im Schalttafeleinsatz

Aufgaben des Gateway im Schalttafeleinsatz

Datenaustausch zwischen

- CAN - Antrieb

- CAN - Komfort

- CAN - Infotainment


Bild 2.7_28

Gateway

Die Aufgabe des Vernetzungsgateway besteht im wesentlichen darin, dieSchnittstelle zwischen den verschiedenen Bussystemen im Fahrzeug darzustellen,d.h. eine Kommunikation zwischen den Steuergeräten in den verschiedenenBussystemen zu ermöglichen. Der Datendurchsatz im Vernetzungsgateway mussmit geringsten Laufzeiten und ohne Datenverlust sichergestellt werden.Bisher war das Gateway im Kombi verbaut.

Schnittstellen:

Antriebs- CAN 500 kbps Gateway

Kombi- CAN 500 kbps

Komfort- CAN 100 kbps

Diagnose- CAN 500 kbps

E- CAN 500 kbps(M-Ausstattung)

Infotainment- CAN100 kbps


Bild 2.7_29

Negative Logik

In der Spezifikation des CAN-Bus ist die negative Logik festgelegt worden

Dominantes Signal

Schalter geschlossen

Lampe leuchtet nicht

Rezessives Signal

Schalter geöffnet

Lampe leuchtet

Zustand mit Wert

Transceiver geschlossen

Spannung auf Datenleitung

ca. 2 V bzw. 3 V im Komfortbus

ca. 1,5 bzw. 3,5 V im Antriebsbus

Zustand mit Wert

Transceiver geöffnet

Spannung auf Datenleitung

ca. 0 V bzw. 5 V im Komfortbus

ca. 2,5 V im Antriebsbus

5 Volt

0 Volt0 Volt

5 Volt

CAN-Bus


Bild 2.7_30

Am CAN-Datenbussystem sind immer mehrere Steuergeräte angeschlossen.

Nur wenn alle Steuergeräte ein „1“-Bit senden ist die Information auf dem Bus logisch „1“.

Sendet mindestens ein Steuergerät ein „0“-Bit, so ist das Signal auf der Busleitung logisch „0“.

Die „0“-Information des einen Steuergeräts überschreibt die „1“-Information der anderen Steuergeräte.

Das „0“-Bit ist dominant

Das „1“-Bit ist rezessiv

0-Dominanz

Negative Logik


Bild 2.7_31CAN-Bus

TTx

20K

1M

10M

25M

Flexray

MOSToptischer Ring

0,5 5,02,51,0

Dat

enra

te (

Bit

/s)

Relative Kosten pro Busknoten

(€)

CANZweidrahtbus

Übersicht der gängigen Bussysteme


Bild 2.7_32CAN-Bus

Spezifikation 1999 19991983

Übertragungsrate Bis 20 KBit/s Bis 1 MBit/s Bis 22,5 MBit/s

Datenmenge gering mittel hoch

Medium Ein-Draht Zwei-Draht Lichtwellenleiter

Rel. Kosten/Knoten Gering (~1€) Mittel (~2€) Hoch (~5€)

Bus-Zugriff Master/Slave Multi-Master Master/Slave

Buszugriff asynchron asynchron synchron und asynchron

Anzahl Teilnehmer Master + 16 Slaves(empfohlen)

Nicht definiert(abhängig von Schnittstellenbausteinen)

Max. 64

Datensicherheit Parity-Bits

Checksumme (CRC)

Bit-Fehler, Formatfehler,

Stuff-Fehler, ACK-Fehler, CRC-Fehler

Checksumme (CRC)

Vergleich verschiedener Bussysteme


Bild 2.7_33

Navi

CAN - Antrieb

CAN - Komfort

CAN - Kombi

CAN - Abstandsregelung

SubbussystemeLIN

MOST

Frisch-luft-

gebläse

ACC

ILM hinten

UGDO

Motor

LWR

AirbagAPS

Advanced Key AASRDK

ILM-Fahrer

SitzmemoryGateway

ILM -BF

E-Rücksitz

Anhänger

Multi-funktion

EPB

Antenne RDK

BEM

TSGTelefon/

Telematik

Klima

DAB

K-Box

TV-Tuner

ESP

Standheizung

CDC

Head-unit(MMI)

ELVAntenne RDK

TSG

FZH

SMLS

KombiEZS

MFL

PTC-Heizung

LM-Schein-werfer

LM-Schein-werfer

LIN - Klima

LIN - RDK

AFS - CAN

WWS

C6 - Vernetzung

ESP - CAN

DSPDuosensor(ESP)

FBS-Bus

Quelle: Audi


Bild 2.7_34 Quelle: Audi

CAN Architektur Audi A8


Bild 2.7_35

CAN Bus Versionen

RingStrang SternLichtwellenleiter

Quelle: VW


Bild 2.7_36

MOST Datenbus

Ton

Video

CAN

TV-Tuner

Bedieneinheit

Display

Sound System

MOST

Datenübertragung mit Hilfe von modulierten Lichtwellen• geringerer Leitungsbedarf

• geringeres Gewicht

• feste Taktfrequenz (44,1kHz wie bei digitalen Audiogeräten) ermöglicht die Übertragung synchroner Daten

• dadurch höhere Datenübertragungsrate (bis zu 21 Mbit / Sekunde)

• mit Hilfe der Signalcodierung können verschiedene Anwendungen in einem Datenring zusammengeschlossen werden

• keine Probleme durch elektromagnetische Einflüsse

• ebenso keine elektromagnetische Störquelle

Quelle: Audi


Bild 2.7_37

Optische Datenübertragung

Totalreflexion Radius > 25mm Radius < 25mm

Optisch dichteres Medium

Optisch dünneres Medium

Totalreflexion von optisch dichterem zu optisch dünnerem Medium!

Quelle: Audi


Bild 2.7_38

Aufbau und Ringstruktur

• Jedes Steuergerät besitzt einen eigenen binären Adresscode (Identifier)

• Jedes Steuergerät sendet die Daten in einer Richtung zum nächsten Steuergerät

• Dieses Weitersenden wird solange fortgesetzt, bis das „Autoren“-Steuergerät die Nachricht wieder empfängt→ geschlossener Ring

CD-Wechsler Telematik

TV-Tuner

Radio-Tuner

Sprach-bedienung

VerstärkerNavigation

Kartenleser

Bedieneinheit

DisplaySteuergerät für Information vorn

Diagnose Interfacefür Datenbus

(Gateway)

Diagnose-Anschluss

Quelle: Audi


Bild 2.7_39


Bild 2.7_40

• Alle Steuergeräte befinden sich innerhalb eines begrenztenBauraumes (lokales System).

• Der Datenaustausch zwischen den einzelnen LIN-Bussystemen in einem Fahrzeug erfolgt über jeweils ein Steuergerät durchden CAN-Datenbus.

• Beim LIN-Bus handelt es sich um einen Eindraht-Bus. Der Leitungsquerschnitt beträgt 0,35 mm². Eine Abschirmung ist nicht erforderlich.

• Das System ermöglicht den Datenaustausch zwischen einem LIN-Master-Steuergerät und bis zu 16 LIN-Slave-Steuergeräten.

• Die Datenübertragungsrate beträgt 1 bis 20 Kbit/s.

Eigenschaften LIN


Bild 2.7_41

SchaltmodulLenksäule

SMLS

GatewayStg.

ABSStg.

Wischervorne

M

M

M

Schalter Frontwischer

Schalter Heckwischer

Empf. / Intervall

Regen-sensor

BordnetzStg.

Dual-

Pumpe

Heckwischer MHochdruckpumpe

VKomfortStg.

Motorhaube Heckklappe

Wischersystem

Beispiel LIN

Quelle: Audi


Bild 2.7_42

Standardisiertes Kurzstrecken Funksystem

Bluetooth


Bild 2.7_43

Bluetooth Aufbau

2,45 GHz Frequenzband (lizenzfrei)

Antenne, Steuerung und Verschlüsselung (128-Bit-Schlüssel) und Sende- und

Empfangstechnik sind ein einem Modul integriert.

Damit Bluetooth-Geräte eine Verbindungaufbauen können, müssen sie angelernt werden. Der

Verbindungsaufbau erfolgt anschließend automatisch.

Maximal acht aktive Bluetooth-Geräte bilden ein Piconet.Ein Gerät im Piconet übernimmt die Master-Funktion.

Jedes Gerät hat eine weltweit einmalige 48-Bit-lange Adresse, das ermöglicht weltweit 281 281 Billionen Geräte identifizieren!


Bild 2.7_44

500100 100 20

6000

1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000 CAN-Antrieb

CAN-Komfort

CAN-Infotainmentlin

MOST

Bluetooth

Datenübertragungsraten

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