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Entwicklung eines CAN-Bus-Adapters für spezielle Anforderungen zur Fahrzeuganbindung

©2006 Diplomarbeit 88 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Adapters, der den nachträglichen Einbau von elektronischen Geräten in Fahrzeugen mit CAN-Bus-Technik ermöglichen soll.
Es entspricht dem Wesen der CAN-Bus-Technik, dass nachträgliche Veränderungen am Fahrzeug nur mit der exakten Kenntnis der Datenstruktur möglich sind. So findet man in vielen aktuellen Fahrzeugen keinen geschalteten Zündstrom mehr, wie er früher in der Fahrzeugelektrik über Klemme 15 oder der Schaltung ACC abgegriffen werden konnte. Vielmehr ist die Stellung des Zündschlüssels bzw. die Information „Zündung an“ lediglich als Dateninformation am CAN-Bus zu finden.
Es ist anzunehmen, dass auch weiterhin ein Markt für Zubehörelektronik existieren wird, wie z.B. Alarmsysteme, Navigationssysteme, Freisprecheinrichtungen oder ähnlichen Geräten. Der Verbau dieser Geräte ist künftig nur dann in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen möglich, wenn entsprechende Adaptionen den Einbau erleichtern. Bei entsprechender Produktgestaltung kann gegenüber dem Ist-Zustand sogar eine Verbesserung eintreten, wenn beim Einbau der direkte Datenabgriff am CAN-Bus aufwändige Eingriffe an unterschiedlichen Kabelsträngen des Fahrzeugs erspart.
Der im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte CAN-Bus-Adapter für spezielle Anforderungen der Fahrzeuganbindung soll neben der einwandfreien technischen Funktionalität auch eine deutliche Reduzierung des derzeitigen Einbauaufwands sicherstellen.


Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Inhaltsverzeichnis
1.EINLEITUNG4
2.DATEN-BUS-SYSTEME5
2.1Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten5
2.2Netzwerke8
2.2.1Stern-Topologie8
2.2.2Ring-Topologie9
2.2.3Bus-Topologie10
2.3Referenzmodell der Datenkommunikation13
2.4Anforderungen an ein Datenbus-System für Kfz18
2.5Vorteile von Bussystemen21
3.CAN-BUS22
3.1Kurzbeschreibung22
3.2CAN-Bus-Entwicklung23
3.3CAN - charakteristische Merkmale25
3.4physikalischer Aufbau26
3.4.1Komponenten eines CAN-Knoten26
3.4.2High-Speed Bus-Ankopplung33
3.4.3Low-Speed Bus-Ankopplung35
3.5Nachrichtenaustausch39
3.5.1Arbitrierung39
3.5.2Datenprotokoll41
3.5.3Übertragunsfehler42
4.ENTWICKLUNG EINES CAN-ADAPTERS44
4.1grundlegende Überlegungen der Produktgestaltung44
4.2rechtliche Rahmenbedingungen45
4.3Festlegung Hardware46
4.4Datenerfassung für Prototyp50
4.5Gestaltung Software […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Marco Nolte
Entwicklung eines CAN-Bus-Adapters für spezielle Anforderungen zur
Fahrzeuganbindung
ISBN: 978-3-8366-0096-5
Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2007
Zugl. Fachhochschule Gießen-Friedberg, Friedberg, Deutschland, Diplomarbeit, 2006
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
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© Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2007
Printed in Germany

Seite 2 von 86
Gliederung
1
EINLEITUNG... 4
2
DATEN-BUS-SYSTEME ... 5
2.1
Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten ... 5
2.2
Netzwerke ... 8
2.2.1 Stern-Topologie ... 8
2.2.2 Ring-Topologie ... 9
2.2.3 Bus-Topologie... 10
2.3
Referenzmodell der Datenkommunikation ... 13
2.4
Anforderungen an ein Datenbus-System für Kfz ... 18
2.5
Vorteile von Bussystemen... 21
3
CAN-BUS ... 22
3.1
Kurzbeschreibung ... 22
3.2
CAN-Bus-Entwicklung ... 23
3.3
CAN ­ charakteristische Merkmale ... 25
3.4
physikalischer Aufbau ... 26
3.4.1 Komponenten eines CAN-Knoten... 26
3.4.2 High-Speed Bus-Ankopplung ... 33
3.4.3 Low-Speed Bus-Ankopplung ... 35

Seite 3 von 86
3.5
Nachrichtenaustausch... 39
3.5.1 Arbitrierung ... 39
3.5.2 Datenprotokoll... 41
3.5.3 Übertragunsfehler ... 42
4
ENTWICKLUNG EINES CAN-ADAPTERS ... 44
4.1
grundlegende Überlegungen der Produktgestaltung... 44
4.2
rechtliche Rahmenbedingungen... 45
4.3
Festlegung Hardware ... 46
4.4
Datenerfassung für Prototyp ... 50
4.5
Gestaltung Software (Firmware) ... 60
5
ABSCHLUSSBETRACHTUNG ... 81
LITERATURVERZEICHNIS ... 83
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ... 83
TABELLENVERZEICHNIS ... 86

Seite 4 von 86
1 Einleitung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Adapters, der den nach-
träglichen Einbau von elektronischen Geräten in Fahrzeugen mit CAN-Bus-
Technik ermöglichen soll.
Es entspricht dem Wesen der CAN-Bus-Technik, dass nachträgliche Veränderun-
gen am Fahrzeug nur mit der exakten Kenntnis der Datenstruktur möglich sind. So
findet man in vielen aktuellen Fahrzeugen keinen geschalteten Zündstrom mehr,
wie er früher in der Fahrzeugelektrik über Klemme 15 oder der Schaltung ACC
1
abgegriffen werden konnte. Vielmehr ist die Stellung des Zündschlüssels bzw. die
Information ,,Zündung an" lediglich als Dateninformation am CAN-Bus zu finden.
Es ist anzunehmen, dass auch weiterhin ein Markt für Zubehörelektronik existieren
wird, wie z.B. Alarmsysteme, Navigationssysteme, Freisprecheinrichtungen oder
ähnlichen Geräten. Der Verbau dieser Geräte ist künftig nur dann in einem wirt-
schaftlich vertretbaren Rahmen möglich, wenn entsprechende Adaptionen den
Einbau erleichtern. Bei entsprechender Produktgestaltung kann gegenüber dem
Ist-Zustand sogar eine Verbesserung eintreten, wenn beim Einbau der direkte Da-
tenabgriff am CAN-Bus aufwändige Eingriffe an unterschiedlichen Kabelsträngen
des Fahrzeugs erspart.
Der im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte CAN-Bus-Adapter für spezielle
Anforderungen der Fahrzeuganbindung soll neben der einwandfreien technischen
Funktionalität auch eine deutliche Reduzierung des derzeitigen Einbauaufwands
sicherstellen.
1
ACC (engl.,
accessory): Übersetzt Zubehör. ACC schaltet die Zubehörverbrauche (z.B. Lüftung, Radio etc.) ein

Seite 5 von 86
2 Daten-Bus-Systeme
2.1 Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten
Die an das Fahrzeug gestellten Ansprüche in puncto Fahrsicherheit und Komfort,
sowie die steigenden gesetzlichen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit der
Kraftfahrzeuge, lassen den Anteil der Elektronik kontinuierlich steigen. Die Anzahl
der Steuergeräte ist deshalb in den letzten beiden Jahrzehnten enorm gestiegen.
Durch die Notwendigkeit des Informationsaustausches untereinander bzw. die
Möglichkeit, Sensoreninformationen an verschiedene Steuergeräte weiterzuleiten,
ist es erforderlich geworden, sich über die Verkabelung bzw. Vernetzung im Fahr-
zeug Gedanken zu machen.
Zum Beispiel stellt die Vernetzung von Steuergeräten zur Regelung von Motor,
Getriebe, Fahrwerk und Bremsen eine hohe Anforderung an die Leistungsfähigkeit
des Kommunikationssystems dar. Typisch sind Abläufe im festen Zeitraster mit
Zykluszeiten von jeweils wenigen Millisekunden. So folgen die Zündimpulse bei
einem Sechszylindermotor und einer Motordrehzahl von 6000 min
-1
mit einem zeit-
lichen Abstand von 3,3 Millisekunden aufeinander (
Abbildung 2.1.1
). Zur Daten-
übertragung für die zylinderselektive Bestimmung der Zündzeitpunkte und der
Einspritzmengen steht gar nur ein Bruchteil dieser Zeit zur Verfügung. Dieselbe
Vorgabe gilt auch für die sogenannte Latenzzeit
2
.
2
Latenzzeit ist die Zeit von einer Sendeanforderung bis zum korrekten Empfang der Daten.

Seite 6 von 86
Abbildung 2.1.1:
Zeitdiagramm für Motorsteuerung
[
Eng02
]
Erklärung: C1 / C2 bedeutet Microcontroller 1 / Microcontroller 2
Konventionell verdrahtet hat ein Mittelklassefahrzeug heute bereits über 1000
Steckverbindungen mit mehr als 1000 m Leitungen. CAN dagegen tauscht alle In-
formationen aller angeschlossenen Systeme über nur eine logische Leitung aus!
Am Beispiel eines Navigationssystems lässt sich die Ersparnis verdeutlichen:
Wurden bisher jeweils eine Leitung für Eingang Zündung, Displaybeleuchtung,
Rückwärtsgang, Tachosignal etc. benötigt, so reicht nun lediglich die CAN-Bus-
Leitung aus, um alle Signale zu liefern.
Mit CAN lassen sich übergeordnete, von mehreren Steuergeräten getragene
Funktionen technisch und wirtschaftlich effizient realisieren. CAN bietet mit seinen
Fehlererkennungsmaßnahmen (z.B. bei Bitfehlern) hohe Funktionssicherheit für
die Kommunikation sowie netzweite Konsistenz der Daten. Genauer wird hierauf
im Kapitel
3.5.3
eingegangen.
Hinzu kommt die Anwendung im Karosseriebereich. So werden zum Beispiel An-
zeigen, Beleuchtung, Zugangsberechtigung mit Diebstahlwarneinrichtungen, Sitz-
und Spiegelverstellung, Klimaregelung und Scheibenwischer miteinander vernetzt.
Auf Grund des unterschiedlichen Einsatzbereiches (Multiplexverkabelung
3
, zeitkri-
tischer Datenaustausch zwischen Steuergeräten im Bereich des Antriebsstrangs)
3
Unterschiedliche Daten teilen sich einen Datenleitung

Seite 7 von 86
unterscheidet man fahrzeuginterne Kommunikationssysteme entsprechend den
hierfür erforderlichen Datenraten in Low-Speed- (<125 kB) und High-Speed-
Kommunikationssyteme (125 ­ 1000 kB).
Insbesondere CAN hat heutzutage neben dem Einsatz in Personen- und Nutz-
fahrzeugen einen vielfältigen Einsatz im gesamten Bereich mobiler Systeme wie
zum Beispiel in Aufzügen, landwirtschaftlichen Maschinen, Kränen, Fahrzeugen
des öffentlichen Nahverkehrs, Müllfahrzeugen, militärischen Fahrzeugen oder
Baumaschinen gefunden. Für den Einsatz im High-Speed-Bereich ist CAN der
einzige internationale Standard.
· Die Problematik stellt sich zusammengefasst folgendermaßen dar:
o
Mit den Anforderungen an Fahrsicherheit, Komfort und Umweltver-
träglichkeit wächst auch die Anzahl der Steuergeräte, welche in ei-
nem Fahrzeug heutzutage verbaut werden.
o
Für viele Funktionen ist die Koordination zwischen den elektroni-
schen Steuergeräten erforderlich.
o
Der Datenaustausch mit herkömmlicher Kabeltechnik stößt an die
Grenze des Machbaren, da Kupferleitungen Platz benötigen und ein
hohes Gewicht mit sich bringen.
· Lösung:
o
Die Steuergeräte werden durch ein Kommunikationssystem vernetzt,
welches in der Lage ist, den notwendigen Datenaustausch durchzu-
führen.
[
Bos99
,
Ets94
]

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2.2 Netzwerke
· einem Netzwerk sind alle Teilnehmer durch eine Datenleitung miteinander
verbunden und können Informationen austauschen
· es gibt drei Hauptgruppen, die nach ihrer Ausdehnung aufgeteilt sind
o
LAN
(Local Area Network)
o
MAN
(Metropolitan Area Network)
o
WAN
(Wide Area Network)
· für uns relevant: Das LAN
o
Das LAN ist ein örtlich begrenztes System, kann sich aber auch über
mehrere Kilometer erstrecken.
o
Der CAN-Bus zählt zu den LAN-Netzen
· die Topologie definiert die Anordnung der Komponenten (Knoten), Kabel
und Kopplungselemente innerhalb eines Netzwerks
· die wichtigsten Topologien stellen Stern-, Ring- und Bustopologie dar
[
Eng02
]
2.2.1 Stern-Topologie
Bei Stern-Topologien sind alle Geräte an einem zentralen Verteiler (Sternkoppler,
Multiportbridge,...) angeschlossen. Der Verteiler empfängt Signale und leitet die
Signale an das richtige Zielgerät weiter. Sternverteiler können so miteinander ver-
bunden werden, dass sie eine Baum-Topologie bzw. eine hierarchische Topologie
bilden.
Eine physikalische Stern-Topologie wird häufig als eine logische Bus- oder Ring-
Topologie implementiert.

Seite 9 von 86
Abbildung 2.2.1: Schema der Stern-Topologie
[
Eng02
]
Der Vorteil der Stern-Topologie ist, dass bei Ausfall eines Teilnehmers keine wei-
tere Störung im Netzwerk auftritt.
Von Nachteil jedoch ist, dass bei Ausfall der Zentraleinheit keine Kommunikation
mehr möglich ist. Jeder Teilnehmer muss mit der Zentraleinheit verbunden sein,
was einen hohen Kabelaufwand erfordert. Praktische Anwendung der Stern-
Topologie ist die Bürokommunikation, bei der mehrere Terminals an einen Rech-
ner angeschlossen sind.
2.2.2 Ring-Topologie
Wie der Name andeutet, sind in der Ring-Topologie alle Teilnehmer ringförmig,
also in Serie, miteinander verbunden. Jeder Teilnehmer verfügt über einen Sender
(T=Transmitter) und einen Empfänger (R=Receiver).
Abbildung 2.2.2: Schema der Ring-Topologie
[
Eng02
]

Seite 10 von 86
Die einzelnen Teilnehmer kennen lediglich den nächsten Teilnehmer, sodass der
Datenaustausch von einem Teilnehmer zum nächsten Teilnehmer stattfindet. Die
Daten werden solange weitergereicht, bis sie den Empfänger erreicht haben.
Der Vorteil gegenüber der Stern-Topologie ist der verminderte Kabelaufwand.
Der Nachteil ist, dass beim Ausfall eines Teilnehmers die Kommunikation unter-
brochen wird.
2.2.3 Bus-Topologie
Die Stern-Topologie bildet ein Master-Slave-System
4
, wobei der jeweilige Stern-
punkt der Master ist und die Teilnehmer Slaves sind. Bei der Ring-Topologie ist
das Übertragungsmedium (Datenleitung) geschlossen. Der Sendeknoten ist für
den Zeitraum seiner Sendefunktion als Master und die Teilnehmer als Slaves ge-
schaltet.
Um eine möglichst einfache Zusammenschaltung der Kommunikationsteilnehmer
zu realisieren, wurde als weitere Netzwerkvariante die Bus-Topologie entwickelt.
Bei der Bus-Topologie ist das Übertragungsmedium offen. Alle Teilnehmer (Netz-
knoten) sind an einer gemeinsamen Datenleitung (Busleitung oder manchmal
auch Backbone
5
) angeschlossen. An den Enden der Datenleitung werden Ab-
schlusselemente in Form von Widerständen angebracht.
4
Master agiert, Slave reagiert oder auch Master sendet, Slave empfängt und verwertet
5
Backbone bedeutet übersetzt ,,Rückgrad"

Seite 11 von 86
Abbildung 2.2.3: Schema der Bus-Topologie
[
Eng02
]
Bei Bus-Netzwerken werden alle Signale gleichzeitig durch das gesamte Netzwerk
gesendet und an den Abschlusselementen (Endwiderstände) des Busses vernich-
tet. Man sieht dabei sofort, dass sich alle Teilnehmer diesen Bus teilen und alle
Nachrichten, die auf dem Bus übertragen werden, jeden Teilnehmer erreichen.
Vorteil dieser Topologie ist, dass es keine Störung des Netzwerkes gibt, sofern ein
Teilnehmer ausfällt. Ferner sind die Verkabelungskosten gegenüber Stern- und
Ring-Topologie geringer. Dadurch, dass alle Nachrichten über den gesamten Bus
laufen, kann das System leicht erweitert werden, denn ein zusätzlicher Teilnehmer
kann an beliebiger Stelle angeschlossen werden. Mit Steigen der Teilnehmerzahl
erhöht sich jedoch auch die Bus-Belastung.
Nachteil dieser Topologie ist die komplizierte Fehlersuche im Netzwerk, da ein
Kabelbruch einen Netzwerkausfall bewirkt.

Seite 12 von 86
Da bei unserer Anwendung die Bus-Topologie genutzt wird, werden die Merkmale
nochmals zur Verdeutlichung aufgeführt:
· Die Signalausbreitung erfolgt in beide Richtungen. Zur Vermeidung von Lei-
tungsreflexionen sind die Leitungsenden mit einem Abschlusswiderstand
6
abgeschlossen (siehe auch
3.4.1
).
· Es ist immer ein Netzknoten als Sender aktiv. Das Bus-Protokoll regelt den
Zugriff auf den Bus, um Kollisionen zu vermeiden.
· Die Nachricht, welche auf dem Bus befindlich ist, wird von allen Teilneh-
mern empfangen. Ein oder mehrere Empfänger entscheiden, ob sie die
Botschaft verwerten.
· Neue Teilnehmer lassen sich durch einfaches Parallelschalten einfügen.
Vorhandene Teilnehmer lassen sich meist problemlos abschalten.
· Die Anzahl der Botschaften und deren Zykluszeiten bestimmen die Busaus-
lastung und somit eine Einschränkung der Teilnehmerzahl.
· Aufgrund der Signalgeschwindigkeit im Leiter (z.B. Kupferleiter mit 20
cm/ns) ergibt sich eine Beschränkung der Buslänge und eine weitere Be-
grenzung der Teilnehmerzahl.
· Ein Bussystem bildet eine Multimaster-Struktur
7
.
· Konkurrierender Buszugriff (zwei oder mehr Knoten wollen gleichzeitig Da-
ten übertragen) führt zu keinem Problem, da bei CAN eine bitweise Busar-
bitrierung (siehe auch
3.5.1
) erfolgt.
· Max. Netzwerklänge bei Autobus:
o
40 m bei 1000 kBit/s
o
400 m bei 100 kBit/s
6
dieser hat die Wertigkeit des Wellenwiderstands der Leitung
7
jeder Teilnehmer kann Master oder Slave sein, je nachdem ob er als Sender oder Empfänger geschaltet ist

Seite 13 von 86
· Anzahl der Teilnehmer bei Autobus:
o
typisch 10 - 32 pro Teilnetz
· Teilnetz-Struktur im Automobilbereich (Teilnetze für verschiedene Funkti-
onsbereiche)
[
Eng02
,
Law94
,
Ets94
]
Abbildung 2.2.4: CAN-Bus-Netzwerk in einem heutigen Kfz
[
Vec06
]
2.3 Referenzmodell
der
Datenkommunikation
Basis für die Beschreibung von Kommunikationssystemen ist heute allgemein das
von der ISO
8
entwickelte Modell der Datenkommunikation OSI
9
. Ausgehend von
diesem Modell wurden von der ISO und dem IEEE
10
internationale Standards ver-
abschiedet, die Basis für eine offene Kommunikation im Büro- sowie im industriel-
8
International Standardization Organization
9
Open-Systems-Interconnection
10
Institute of Electrical and Electronic Engineers

Seite 14 von 86
len Bereich sind. Im OSI-Modell werden Datenkommunikationssysteme in Form
eines Schichtenmodells, bestehend aus sieben unterschiedlichen Funktionsberei-
chen (Schichten, Ebenen, Layers) beschrieben. Hierdurch wird die komplexe Ge-
samtaufgabe der Datenkommunikation in übersichtliche, aufeinander aufbauende
Funktionsbereiche (Schichten) aufgeteilt. In jeder Schicht existieren Instanzen
(Arbeitseinheiten, Entities) welche die schichtenspezifischen Leistungen erbrin-
gen. Die Dienste (Services) einer Instanz werden der jeweils darüber liegenden
Schicht über Dienstzugangspunkte (Service Access Points, SAPs) zur Verfügung
gestellt (
Abbildung 2.3.1
). Eine Instanz kommuniziert logisch mit einer Partnerin-
stanz (Peer Entity), d.h. einer Instanz gleicher Ebene in einem entfernten System.
Dies geschieht durch den Austausch von Protokolldateneinheiten (Protocol Data
Units, PDUs). Realisiert wird der Austausch von PDUs durch die Inanspruchnah-
me der Dienste der darunter liegenden Schichten. Die Kommunikation zwischen
Partnerinstanzen wird durch Protokolle geregelt. Unter einem Protokoll versteht
man einen Satz von Regeln für den Austausch von Informationen sowie deren
Wirkung im entfernten System. Der Transport von PDUs erfolgt in der Weise, dass
eine Instanz eine von der übergeordneten Instanz übernommene PDU um eigene,
für die Partnerinstanz bestimmte Kontrollinformationen ergänzt und zur weiteren
Bearbeitung an die untergeordnete Instanz weitergibt. Im entfernten System wertet
jede Instanz die für sie bestimmte Kontrollinformation aus und gibt den Rest der
PDU an die übergeordnete Instanz weiter.
Da das OSI-Modell der Datenkommunikation alle Formen der Kommunikation be-
schreibt, sind bei einfacheren Kommunikationssystemen nicht alle Funktionalitäten
(Schichten) des OSI-Modells erforderlich. Das Modell kann also auch leere
Schichten enthalten. Für die Kommunikation in der Automatisierungstechnik im
Allgemeinen nicht relevant sind z.B. die Aufgaben der Wegsuche (Routing) durch
ein Netz oder der Aufbau von Verbindungen über mehrere Teilnetze hinweg.

Seite 15 von 86
Abbildung 2.3.1: Austausch von Protokolldateneinheiten zwischen Partnerinstanzen im
Schichtenmodell der Datenkommunikation
[
Ets94
]
Aus diesem Grund sind für die Datenkommunikation im Automatisierungsbereich
und insbesondere im Feldbereich, also auch im CAN-Bus-Bereich, im Allgemeinen
lediglich drei Schichten relevant. Diese sind die Physikalische Schicht (Schicht 1),
die Datensicherungsschicht (Schicht 2) und die Anwendungsschicht (Schicht 7)
(
Abbildung 2.3.2
).
Abbildung 2.3.2: Schichtenmodell der Datenkommunikation für die Automatisierungstechnik
[
Ets94
]

Seite 16 von 86
Die Reduktion der Protokolle auf den tatsächlich erforderlichen Funktionsumfang
erhöht die Effizienz eines Protokolls, erleichtert damit die Erfüllung höherer Echt-
zeitanforderungen und ist somit vor allem für Feldbussysteme wichtig. Erforderli-
che Teilfunktionen von nicht abgebildeten Schichten werden in Feldbuskonzepten
deshalb im Allgemeinen den vorhandenen Schichten zugeordnet.
Im Besonderen gilt dies für die auch für Feldbussysteme erforderliche Festlegung
von Regeln für die Informationsdarstellung (Codierung), welche im OSI-Modell ei-
gentlich der Schicht-6 zugeordnet ist. Diese Funktion wird im 3-Schichtenmodell
üblicherweise als Teilfunktion der Anwendungsschicht realisiert.
Die wichtigsten Aufgaben der für die Datenkommunikation im Feldbereich relevan-
ten Schichten sind im Folgenden erläutert.
· Physikalische Schicht (Physical Layer, Schicht 1)
Über die physikalische Schicht werden die elektrischen, mechanischen, funktiona-
len und prozeduralen Parameter der physikalischen Verbindung zwischen Teil-
nehmerstationen (Netzknoten) festgelegt. Über die Festlegungen der Schicht 1
werden somit alle, für die physikalische Übertragung des Bitstroms erforderlichen
Vereinbarungen getroffen. Die Schicht 1 wird deshalb auch manchmal als Bitüber-
tragungsschicht bezeichnet.
· Datensicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2)
Über die Festlegungen der Schicht 2 wird die Datenübertragung zwischen zwei
"benachbarten"
11
Teilnehmern geregelt. Wichtigste Aufgaben dieser Schicht sind
Fehlererkennung, Fehlerbehebung und Flusskontrolle. Die zu übertragende Infor-
11
bedeutet, dass sich die Teilnehmer (Netzknoten) im selben Netz befinden, also keine Datenübertragung
über mehrere Netze hinweg erfolgt

Seite 17 von 86
mation wird hierzu im Allgemeinen in Blöcke geeigneter Längen (Frames) unter-
teilt und mit einem Fehlersicherungscode versehen, der eine Fehlererkennung
ermöglicht.
Die Fehlerbehebung erfolgt im Allgemeinen durch Wiederholung der Übertragung.
Aufgabe der Schicht 2 kann auch die Flusskontrolle, d.h. die Anpassung der Ge-
schwindigkeit des Senders an die des Empfängers sein. Bei Bussystemen wird als
weitere Aufgabe die Regelung des Buszugriffs (Media Access and Control, MAC)
als Schicht 2a unterschieden, während in der darüber liegenden Schicht 2b (Logi-
cal Link Control, LLC), die vom Medienzugriff unabhängigen Funktionen zusam-
mengefasst sind.
· Anwendungsschicht (Application Layer, Schicht 7)
Über die Dienste der Anwendungsschicht werden grundsätzliche Anwendungen
von Kommunikationssystemen bereitgestellt, die allgemein verwendet werden
können, sowie kommunikationsbezogene Grundfunktionen, die vielen Anwendun-
gen gemeinsam sind (z.B. Aufbau und Abbau von Verbindungen). Das für die Au-
tomatisierungstechnik wichtigste Anwendungsprotokoll für die Vernetzung von
Rechnern ist das innerhalb von MAP (Manufacturing Automation Protocol) defi-
nierte MMS-Protokoll (Manufacturing Message Specification). MMS spezifiziert
z.B. Dienste für das Lesen und Schreiben von Variablen, das Laden von Pro-
grammen und Konfigurationsdaten oder das Starten und Stoppen von Program-
men. Neben den, in den verschiedenen Schichten des OSI-Modells beschriebe-
nen kommunikationsbezogenen Funktionen erfordert der Betrieb eines Kommuni-
kationssystems auch eine Anzahl von organisatorischen Funktionen. Zur Abbil-
dung dieser, unter dem Begriff "Netzwerkmanagement" zusammengefassten Auf-
gaben, wird das ursprüngliche OSI12 Modell in allen Schichten durch einen Funk-
tionsbereich für Managementfunktionen ergänzt (
Abbildung 2.3.2
). Diese Funktio-
nen dienen im Bereich der unteren Schichten z.B. zur Einstellung von schichten-
spezifischen Betriebsparametern, zur Konfiguration von Betriebsarten, zur Teil-
nehmerüberwachung sowie zur schichtenbezogenen Fehlererfassung und Feh-
lermeldung an den Anwendungsprozess.

Seite 18 von 86
2.4 Anforderungen an ein Datenbus-System für Kfz
Der rasante technische Fortschritt im Bereich der integrierten Schaltungen bildete
zugleich Basis und Vorraussetzung für die stürmische Entwicklung in der Informa-
tionsverarbeitung. Der Einsatz serieller Bussysteme an Stelle konventioneller Ver-
bindungstechniken 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 Redukti-
on des Aufwandes für Projektierung und Installation.
In dieser Situation stießen zu den bereits vorhandenen Angeboten an verschiede-
nen Feldbus- und Sensor-/Aktorbus-Protokollen die sogenannten ,,Autobus"-
Netzwerke, dabei allen voran CAN-Bus. CAN wurde in seinen wesentlichen Ei-
genschaften durch die Robert Bosch GmbH für die Anwendung im Auto entwickelt.
Die Autobusprotokolle wurden seit Anfang der 80er Jahre bei Automobilherstel-
lern, deren Zulieferern und den Halbleiterherstellern entwickelt. Ziel war die echt-
zeitkritische, hochleistungsfähige und robuste sowie preisgünstige Kommunikation
zwischen Steuergeräten, wie Motorsteuerung, Getriebesteuerung, Bremsen, etc.
Dabei wurde aber auch der weniger zeitkritische Einsatz im Karosseriebereich zur
Verbindung von Schaltern, Lampen, Motoren für Spiegelverstellung, Sitzverstel-
lung, Klimasensorik und ­aktuatorik, etc. gesehen. Hinzu kam die Anforderung an
die Sicherheit der Datenübertragung in einer von elektromagnetischen Störungen
geprägten Umgebung. Bald erkannte man, dass für diese Kriterien kein auf dem
Markt verfügbares Protokoll geeignet war, und so entstand im Jahr 1983 CAN als
einer der ersten Autobusse. Heute wird kaum ein Fahrzeug ohne CAN-Bus gefer-
tigt.
Folgende Anforderungen wurden damals zunächst gestellt:
· Hohe Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen
· Echtzeitfähigkeit für schnelle Vorgänge, z.B. Zündung, ABS...
· Hohe
Zuverlässigkeit
· niedrige
Kosten
für Serienanwendungen
[
Ets94
,
Law94
]

Seite 19 von 86
Zukünftige Anforderungen an Bussysteme im Kraftfahrzeug
In zukünftigen Kraftfahrzeugen werden mehrere Bussysteme vorhanden sein.
Die wichtigsten Kriterien an diese Bussysteme sind in der
Tabelle 2.4.1
aufgelistet.
Tabelle 2.4.1:
CAN-Bus Anwendungen im Kraftfahrzeug
[
Eng02
]
· Diagnose-Bus
Fehlersuche im herkömmlichen Sinne ist in einem vernetzten Kfz nicht mehr mög-
lich. Dem Service muss ein Diagnosesystem zur Verfügung gestellt werden, das
eine schnelle und kostengünstige Fehlersuche erlaubt.
Mit dem Diagnose-Bus (on-Board Diagnose) wird in Zukunft dem Servicetechniker
ein Hilfsmittel zur Verfügung gestellt, welches diese Forderungen erfüllt.
Die Datenrate von einigen 10 kBit/s reicht aus, da die Fehler sporadisch bzw. le-
diglich in der Werkstatt abgefragt werden.
· Karosserie- und Komfortelektronik-Bus (auch Innenraum-Bus)
für uns relevanter Bus
Zu diesem CAN-Bus-System zählen die Steuergeräte für die Beleuchtung, Sitz-,
Spiegel- und Schiebedachverstellung. Die Klimaregelung, Brems- und Rücklichter
werden ebenfalls über diesen Bus geregelt. Die Datenrate <125 kBit/s reicht eben-
falls aus. Für den Fahrer des Kfz ist es unerheblich, ob z.B. sich das Fenster erst
nach 30 oder 50 ms öffnet. Verzögerungszeiten <100 ms werden vom Menschen
nicht registriert.

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2006
ISBN (eBook)
9783956361531
ISBN (Paperback)
9783836600965
Dateigröße
2.5 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Fachhochschule Gießen-Friedberg; Standort Friedberg – IEM - Informationstechnik, Elektrotechnik, Mechatronik, Studiengang Allgemeine Elektrotechnik
Erscheinungsdatum
2007 (Januar)
Note
1,0
Schlagworte
fahrzeugtechnik elektrotechnik datenbus netzwerk
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