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CAN-BUS Torben Rüsch, 04.12.2001
Stand der Technik und des Einsatzes des Steuersystems
CAN-Bus im Fernsehstudio, bei der Steuerung
von Scheinwerfern und Schienensystemen
Verdeutlichung des Themas
Um welche Inhalte geht es in dieser Ausarbeitung ?
Praxis:
Welche Anforderungen stellt der Bereich der Medien an ein Steuerungssystem ?
Worin unterscheiden sich die verwendeten Steuerungssysteme ?
Welche Komponenten, Bausteine und Busmedien werden in den Medien eingesetzt ?
Wie sehen typische Mediensteuerungen aus ?
Notwendige Grundlagen und Begriffe:
Informatik, Netzwerktechnik, Protokolle,
Schnittstellen, Signalcodierungsverfahren
Feldbussysteme, CAN-Technik
Einführung
Notwendigkeit von Bussystemen in den Medien
Multimedia und Digitaltechnik erfordern schnelle,
flexible und stabile Steuerungssysteme.
Der Einsatz innovativer Hard- und Software und die Nutzung von Rechnern
zur Steuerung von technischen Anlagen im Bereich der Lichttechnik, Tontechnik
und der Produktionsstätten ist eindrucksvoll gestiegen.
Die Anforderungen an eine Automation der unzähligen und z.T. weit zerstreuten
Anlagen sind entsprechend hoch. Es müssen die unterschiedlichsten technischen
Geräte und Anlagen vernetzt werden. Die einzelnen Teilnehmer müssen
untereinander Daten austauschen können und von dezentralen Rechnern
steuerbar sein. Das gesamte System erfordert eine hohe Echtzeitfähigkeit,
einfache Handhabung, Funktionsfähigkeit unter schwierigen elektrischen
Umgebungsbedingungen und spezielle Rechnerarchitekturen.
Neben der reinen Steuerung bedarf es umfangreicher Funktionen
zur Fehlererkennung, Behandlung und Wartung.
Problemstellung:
Konventionell wurden Sensoren und Aktoren über ein
analoges Signal mit einer Steuerungseinheit verbunden.
Für jede Verbindung wird demnach ein mehradriges Kabel und eine
Steuerung mit entsprechend vielen Ein-und Ausgängen benötigt.
Die zahlreichen und langen Kabelwege sind aufwendig zu installieren und unflexibel.
Neben den hohen Installationskosten wird viel Platz für Kabel
und Steuerungsanlagen benötigt.
Entsprechende Systeme können als aufwendig, unflexibel, teuer und anfällig
bezeichnet werden.
DMX-512 Protokoll
Das DMX-Protokoll wird überwiegend in der Lichttechnik
eingesetzt und deshalb auch Lichtsteuerbus genannt.
Das DMX Protokoll eignet sich gut zum Steuern und
Automatisieren von Aktoren.
DMX ist nicht geeignet zur Erfassung und Weitergabe von Sensordaten.
DMX-512 ist eines der wenigen Protokolle, das nicht ereignisgesteuert arbeitet.
Steuerungsdaten werden permanent in Form von Datenbytes mit zyklischer
Wiederholung gesendet. Zur Synchronisation wird eine spezielle Synchron-Sequenz
zum Starten eines neuen Zykluses gesendet. Jeder DMX-Empfänger erhält per
Codierschalter seine Zuordnung. Damit wird festgelegt, auf welches Datenbyte
innerhalb eines Zykluses der Teilnehmer reagieren soll. Die Ansteuerung von
Funktionen erfolgt über eine proportionale Spannung von 0 bis +10 V.
Aufgrund der genannten Nachteile wird DMX unseren Anforderungen nicht gerecht.
Feldbussysteme
Einführung:
Ein Feldbussystem ist ein Datennetzwerk auf der industriellen Feldebene.
Feldbussysteme können starken äußeren Belastungen ausgesetzt sein und werden vorwiegend
in der Industrie eingesetzt. Mit dem Feldbus werden Aktoren, Leitsysteme und auch wichtige
Sensoren verbunden. Der Einsatz eines Buskabels ermöglicht den Anschluss aller Geräte
an nur einer Leitung. Anstelle der vielen Ein-und Ausgänge verwendet man Interface Karten,
die viel Platz und Kosten für Verkabelungen sparen. Der digitale Bus ermöglicht einen
bidirektionalen Datenaustausch. Neben den eigentlichen Steuerungsdaten werden wichtige
Messwerte und Störsignale aufgenommen. Wartungsarbeiten werden enorm erleichtert.
Feldbussysteme können als flexibel, leistungsfähig und kostengünstig bezeichnet werden.
Eine komplette Vernetzung und Steuerung auf der Grundlage von Feldbussystemen erweist
sich in vielen Bereichen als optimale Lösung.
Allerdings sollte man den Aufwand für die Programmierung der Steuerungs- und
Überwachungsfunktionen nicht unterschätzen.
Grundlagen
Protokolle
Netzwerk-Topologien
Buszugriffsverfahren
Bitcodierungsverfahren
Fehlererkennung und Behandlung
Synchronisation
Busmedien
Netzwerkerweiterungen
Busankopplung
CAN-Protokollcontroller
Integration von Teilnehmern
Nahezu jedes elektrische Gerät in den Medien verfügt über eine Schnittstelle zum
Kommunizieren. Eine Vernetzung unterschiedlicher Teilnehmer, Schnittstellen,
Netze wird durch den Einsatz verschiedener Module möglich.
Protokollkonvertierer sind in der Lage unterschiedliche Protokolle zu übersetzen.
Geräte mit RS422, RS485, DMX, COM oder anderen Schnittstellen lassen
sich somit durch zahlreich erhältliche Module in CAN-Systeme integrieren.
Router sind Einrichtungen zur Kopplung von Netzen.
Zur Hauptaufgabe gehört die Bereitstellung der globalen Netzwerkadresse und
des Routings.
Gateways sind Einrichtungen zur Kopplung von Netzen mit vollkommen
verschiedener Kommunikationsarchitektur. Eine Fernwartung und Diagnose durch
eine Ankopplung ans Internet ist möglich.
Komponenten: Konverter, Protokollkonvertierer
Protokollkonvertierer ermöglichen die Integration von RS232, RS 485, RS422 oder
Profi-Bus Modulen in ein CAN-Feldbussystem.
Zusätzliche Filterfunktionen eliminieren Störsignale.
Komponenten: Repeater
Repeater sind Signalregeneratoren. Sie ermöglichen weit ausgedehnte Netzwerke.
Schwächen im Signal werden aufgearbeitet. Spannungs-, Masse und Kurzschlüsse
werden erkannt. Die Funktion des übrigen Netzwerkes wird erhalten.
Warum eignen sich bekannte Schnittstellen nicht ?
Eine Schnittstelle ist ein im Systembus befindlicher Interface Baustein zum
Anschluss externer Geräte. Schnittstellen sind genormt. Die Normen enthalten u.a.
den mechanischen Aufbau der Steckverbindung, Zuordnung der Signale und Kontakte,
Kabellänge, Teilnehmerzahl und das Übertragungsprotokoll.
Die bekanntesten Schnittstellen sind:
USB, Midi, SCSI, Firewire, VGA, Bluetooth
Midi wird überwiegend in der Musik und Tontechnik eingesetzt.
Eine 5 polige DIN-Buchse verbindet Keyboards oder Effektgeräte untereinander
oder mit einem Rechner. Firewire ist ein serieller Hochgeschwindigkeitsbus mit drei
Leitungspaaren. Es können nur 16 Teilnehmer verbunden werden. Die Datenrate
beträgt maximal 50 MByte/s. SCSI verbindet nur 7 externe Teilnehmer. Die Kabellänge
beträgt maximal 25m. USB verbindet immerhin 127 Teilnehmer. Die Datenrate beträgt
maximal 12 Mbit/s. VGA eignet sich als PC-Monitor-Verbindung.
Bluetooth ist eine Funkschnittstelle mit einer Datenrate von 1MBit/s.
Alle genanten Systeme werden unseren Anforderungen nicht gerecht.
Sie lassen sich aber in ein CAN-System integrieren.
RS-232 , RS-422, RS-485
Die seriellen Schnittstellen RS 232 [Windows] und RS 422 [Macintosh]
unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Signalspannungen
und der damit verbundenen maximalen Kabellänge.
Achtung es gibt keine Steckernorm.
An jeder Datenleitung kann jeweils nur ein Sender betrieben werden.
RS-485 ist eine Verfeinerung der seriellen Schnittstelle RS-232 und RS-422.
RS 485 ermöglicht die Vernetzung von mehreren Stationen der Datenerfassung
und Auswertung. RS 485 arbeitet mit verteilten Sende-Berechtigungen welche ein
Master-Rechner regelt. Master-Slave-Struktur. Eine 2 Draht Architektur ermöglicht
Half-Duplex. Eine 4 Draht Architektur ermöglicht Full-Duplex.
Kabellängen von über 100m sind möglich
Einfache Aufgaben der Mediensteuerung können per RS 485 realisiert werden.
Viele Teilnehmer verfügen über diese Schnittstelle. Konvertierer ermöglichen
eine einfache Integration.
Anlagenverdrahtung
Man unterscheidet zwischen serieller und paralleler Datenübertragung
Serielle Übertragung:
Bits werden nacheinander in Form von digitalen Impulsen übertragen.
Die Übertragung kann synchron und asynchron erfolgen.
Verdrahtung
Parallele Übertragung:
Daten werden in Form von Bitgruppen über Teilkanäle gleichzeitig übertagen.
So werden z.B. pro Taktschritt 8 Byte gleichzeitig übertragen.
Verdrahtung
Richtung des realisierbaren Informationsflusses
Wir unterscheiden bei der Informationsübertragung zwischen zwei Methoden
Simplexbetrieb:
Die Informationsübertragung ist immer nur in einer
Richtung möglich.
Full-Duplex:
Fähigkeit des simultanen Sende- und Empfangsbetriebs
in beiden Richtungen. Full-Duplex erfordert eine separate
Datenleitung für jede Richtung.
Buszugriffsverfahren / Zugriffsprotokolle / Medienzugriffsverfahren
Wir benötigen Algorithmen, Steuervorschriften,
nach denen sendewillige Teilnehmer den Bus belegen.
Carrier Sense, Multiple Access:
CSMA ist eine dezentralisierte, stochastische Buszugriffsmethode mit
Signalabtastung und Kollisionsfeststellung.
CSMA ist ein Multi-Master-System.
CSMA ist ein Verfahren der zufälligen Buszuteilung.
Alle Teilnehmer erhalten eine Buszugriffsberechtigung.
Eine Busbelegung für die Verwaltung von Zugriffen entfällt.
Die mittlere Busbelastung ist bei ereignisgesteuerten
Nachrichtenaufkommen erheblich geringer.
Buszugriffsverfahren
Master-Slave-Verfahren:
Ein übergeordneter Busteilnehmer [Master] übernimmt die Steuerung des Buszugriffs
durch zyklisches Aufrufen aller anderen Busteilnehmer [Slave].
Der Master kann Nachrichten an jeden Teilnehmer [Slave] senden und gleichzeitig
Nachrichten abrufen.
Multi-Master-Fähigkeit:
Jeder Teilnehmer kann gleichberechtigt Nachrichten senden.
Es wird keine übergeordnete Steuereinheit benötigt.
Jeder Teilnehmer kann mit jedem anderen kommunizieren.
Die Zugriffssteuerung erfolgt über eine Arbitration.
Multitasking:
Der scheinbar gleichzeitige Ablauf mehrerer Tasks (Aufgaben).
In Wirklichkeit schaltet der Computer schnell zwischen den Tasks um.
Ein Task ist demnach eine eigenständig zu bearbeitende Aufgabe, die unabhängig von
anderen Aufgaben abgearbeitet werden kann.
Arbitrierung
Definition:
Die Übergabe der Kontrolle über den Bus an eine andere Einheit, die sich über
Arbitrierungssignale zur Kontrolle angemeldet hat.
Diese Einheit wird entsprechend als Busmaster bezeichnet.
Bei Multi-Master-Systemen ist damit die Einheit gemeint, die
den gleichzeitigen Zugriff verschiedener Tasks auf den Bus priorisiert.
Bus-Arbitration bedeutet die Freigabe des Busses für den Zugriff einer Steckkarte.
Ein spezieller Chip sorgt dafür, dass mehrere Peripherie-Einheiten,
beziehungsweise Bus-Master, Zugriff auf den Bus haben.
Grundvoraussetzung für Multiprozessorsysteme.
Synchronizationsverfahren
Eine Synchronisation erfolgt durch das Herstellen fester Frequenzen und
Phasenbeziehungen zwischen den Teilnehmern.
Asynchrone Übertragung:
Timing-Informationen sind implizit in das Codierungsverfahren eingearbeitet.
Es wird keine separate „Clock“- Leitung benötigt. Es gibt demnach keinen
übergeordneten Taktgeber. Alle Übertragungen sind zeitlich willkürlich.
Ein Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger besteht nur für
eine begrenzte Schrittzahl.
Verbindungs- und Kommunikationsarten
Wie werden Teilnehmer verbunden ?
Punkt-zu-Punkt-Kommunikation:
Der Informationsaustausch erfolgt von einem Teilnehmer
zu genau einem anderen Teilnehmer.
Mehrpunktkommunikation:
Nachrichten werden von allen Teilnehmern empfangen.
Die Teilnehmer prüfen anschließend, ob die Nachricht für
sie relevant ist.
Warum eignen sich Local Area Network Systeme nicht ?
LAN und andere bekannte Kommunikationssysteme erfüllen die geforderten
Echzeitbedingungen nicht. Aufgrund der Umgebungsbedingungen benötigen wir
mehr Zuverlässigkeit und Robusheit.
Wir haben ein enorme Medienvielfalt: Zweidraht, Lichtwellenleiter, IR, Funk
Netzwerk-Topologie
Unter der Topologie eines Netzwerkes versteht man die Verbindungsstruktur
zwischen den Teilnehmern eines Kommunikationsnetzes.
Linienstruktur: Teilnehmer sind linienförmig verbunden.
Stern-Topologie:
Alle Teilnehmer sind über eine Punkt zu Punkt Verbindung mit einem zentralen
Rechner verbunden. Informationen laufen in einem Punkt / Knoten zusammen.
Der Zentralrechner benötigt für jeden Teilnehmer eine extra Schnittstelle und
entsprechend weitere Verkabelungen.
Die Kommunikation bleibt beim Ausfall eines Teilnehmers bestehen.
Netzwerk-Topologie: Ring -Topologie
Ring-Topologie:
Alle Teilnehmer sind in Form einer geschlossenen Kette von
gerichteten Punkt zu Punkt Verbindungen vernetzt.
Die Informationen zirkulieren von Teilnehmer zu Teilnehmer,
in Richtung der nächstniedrigen Adresse.
Der Ausfall eines Teilnehmers bedeutet den Ausfall des Gesamtsystems.
Aufgrund der aktiven Netzknoten lassen sich sehr ausgedehnte Netzwerke realisieren.
Rx und Tx
Transreceiver:
zusammengesetztes Wort aus TRANSmitter und reCElVER
Sender und Empfänger befinden sich in einem Gerät.
Der Transreceiver wird zur Busankopplung eingesetzt.
Rx steht für Receiver [Empfänger]
Gemeint sind die Eingangspins vom Datenbus zum
Eingangskomparator auf dem Baustein.
Tx steht entsprechend für den Transmitter [Sender].
Ausgang des internen, programmierbaren Push-Pull-Ausgangstreibers
zum seriellen Datenbus.
Zugriffszeit:
Zeitspanne zwischen der Ausgabe eines Zugriffsignals und der Ausgabe oder
Annahme der Daten durch die adressierte Einheit.
Unicast, Broadcast, Multicast
Nachrichten können von keinem, einem, einigen
oder allen Teilnehmern empfangen werden.
Unicast:
Unicast ist die direkte Datenübermittlung zwischen Sender und Empfänger.
Multicast:
Beim Multicasting übergibt der Sender Daten an einige Empfänger.
Broadcast:
Beim Broadcasting erfolgt die Nachrichtenverteilungan an alle Empfänger.
Busmedien
Busmedien:
Die Wahl des Busmediums ist entscheident für die Datenrate und die
Mögliche Netzausdehnung.Das häufigste Übertragungsmedium ist eine abgeschirmte
verdrillte Zweidrahtleitung. Twisted-Pair-Kabel.
Aufgrund der Zweidrahtleitung ist eine symmetrische Datenübertragung möglich.
Elektromagnetisch eingekoppelte Störstrahlungen werden kompensiert.
Einfachen Systemen genügt eventuell eine Eindrahtleitung.
Im Bereich der Medien kommen auch 5 und 7 Drahtleitungen zum Einsatz.
Glasfaserkabel sind besonders unempfindlic gegen Feuchtigkeit, Temperatur-
schwankungen und Korrision. Kabel können beliebig gekrümmt und verknotet werden.
Lichtimpulse haben eine hohe Impulsrate [Nanosekundenbereich].
Aufgrund der hohen Kosten ist der Einsatz sehr selten.
Teilnehmer- und Nachrichtenorientierte Protokolle
Teilnehmerorientierte Protokolle:
Fast alle konventionellen Datenkommunikationssysteme arbeiten
nach dem Prinzip der Teilnehmeradressierung.
Der Datenaustausch erfolgt auf der Basis von Teilnehmeradressen,
Knotennummern oder Modulidentifiern.
Nachrichten beinhalten demnach Ziel- und Quelleadressen der beteiligten Teilnehmer.
Nachrichtenorientierte Protokolle:
Bei der CAN-Datenübertragung werden die Teilnehmer nicht adressiert.
Stattdessen beinhaltet jede Nachricht zur Nachrichtenerkennung
einen Identifier der netzweit eindeutig ist.
Anhand des Identifiers prüft jede Station, ob die Nachricht für sie relevant ist.
Priorisierung von Nachrichten:
Gleichzeitig legt der Identifier auch die Priorität der Nachricht fest.
Die Nachricht mit der höheren Priorität wird bei der Datenübertragung
vorrangig abgearbeitet.
NRZ-Signalcodierung - Non - Return - to - Zero
Bitcodierungsverfahren unterscheiden sich in der Anzahl von Zeitabschnitten,
die für die Darstellung eines Bits erforderlich sind.
Bei der NRZ - Codierung bleibt der Signalpegel über die gesamte Bitzeit konstant.
Somit ist nur ein Zeitabschnitt für die Darstellung eines Bits erforderlich.
Bei gleichem Bustakt (Busfrequenz) ermöglicht die NRZ-Codierung etwas mehr
als die doppelte Bitrate gegenüber der Manchestercodierung.
Kommt auch beim Fast Ethernet zum Einsatz.
Dezentrale Steuerung
Bei der zentralen Steuerung erledigt ein Rechner alle Anforderungen und Aufgaben.
Er erhält alle Sensorinformationen und erledigt sämtliche Überwachungen und
Datenverarbeitungsaufgaben. Umfangreiche Aufgaben erfordern entsprechend
große Rechner, Schaltschränke.
Das Konzept der Dezentralisierung beruht auf weitgehend selbständigen Einheiten,
die jeweils einen eigenen Rechner und eine eigene Schnittstelle zu den Sensoren
und Aktoren besitzen. Leitrechner werden weitgehend entlastet.
Vorrausetzung der Dezentralisierung ist die Kommunikationsfähigkeit der Einheiten,
Multi-Master-Fähigkeit.
Einsatz in den Medien
Es folgen einige Beispiele
Komponenten: Tontechnik
In der Tontechnik wird der CAN-Bus in professionellen Anlagen zur Systemdiagnose,
Wartung und Betriebsunterstützung eingesetzt. Am Monitor lassen sich wichtige
Parameter des Studios kontrollieren, steuern und automatisieren. Wichtig ist das
reibungslose Schalten der DSP-Ressourcen, Ein- Ausgänge, der Dynamiksektionen
und der Speicherungsdaten. Professionelle Audio Systeme zum digitalen Audio-Mixing
bestehen aus zwei Hauptkomponenten. Den Oberflächen zum Abmischen und Routen
und den DSP-Recheneinheiten. Die Verbindung der Komponenten erfolgt per CAN-BUS.
Die Leitung darf bei Volllast maximal 60m betragen. Einige Systeme bieten immerhin
264 Eingänge digital / analog und 168 Ausgänge.
Komponenten: Schienensysteme
Das Problem:
Es gibt Bereiche in denen man nach Möglichkeit auf
Verkabelungen verzichten möchte oder sogar muss.
Bei Live-Veranstaltungen sind sichtbare Kabelführungen oft
unerwünscht und aufwendig zu umgehen.
Kamerafahrten und Drehungen um die gesamte Achse werden durch Kabel behindert.
Bei Sport oder Open Air Veranstaltungen braucht man Systeme,
die sehr schnelle Fahrten und 360 Grad Drehungen realisieren.
Die Lösung:
Spezielle Schienensysteme ermöglichen eine kabelschlepplose Steuerung.
Bei der kabelschlepplosen Steuerung lassen sich über den
CAN-Bus Steuerungssignale durch Schienen schleifen.
Die Schienen sind in der Lage alle denkbaren Kabelführungen zu ersetzen.
Komponenten: Schienensysteme
Aluminium-Schleifleitersystem mit integrierten Kupferleitungen zur
Stromversorgung und Steuerung. Hohe Tragfähigkeit.
Komponenten: Schienensysteme
Schienen sind in den unterschiedlichsten Formen und Ausstattungen erhältlich.
Fernsehstudios benötigen besonders ruckelfreie Schienen für Kamerafahrten.
Open Air Veranstaltungen und Sportveranstaltungen verwenden Schienen für
schnelle Richtungswechsel und besondere Kamerafahrten.
Komponenten: Schienensysteme
SAT 1: Studio Berlin
Das Schienensystem versorgt alle Geräte mit Strom und Steuersignalen.
Rollwerke ermöglichen eine computergesteuerte Positionierung.
Komponenten: Schienensysteme
TV-Studio der Hochschule für Film
und Fernsehen in Babelsberg.
Schienensystem und CAN-Bus Steuerung
Messe
Komponenten: Schienensysteme
Motorzüge und Vorhangzuganlagen lassen sich über
CAN-BUS, Profibus, RS-485 punktgenau steuern.
Fehler und Überlastungen werden erkannt
und behandelt.
Kabelschlepplose Kamera
Komponenten: Motorsteuerungen
In den Medien eignen sich spezielle Motoren und entsprechende Motorsteuerungen.
Neben einer punktgenauen Steuerung sind umfangreiche Kontrollfunktionen möglich.
Eine optimale Busankopplung wird durch eine integrierte CAN-Schnittstelle erreicht.
Komponenten: Positionier- und Synchronisiersteuerungen
Zur Regelung von Asynchronmotoren und Antriebsachsen
mit inkrementalen oder absoluten Drehgebern gibt es spezielle Komponenten.
Es lassen sich alle gängigen Servoverstärker für Motoren regeln.
Komponenten: Züge
Im Veranstaltungsbereich werden vernetzte Fahrwerke in
Verbindung mit Rollwerken eingesetzt.
Züge können Lasten von bis zu 5000 Kg tragen.
Züge ermöglichen schnelle und exakte Bewegungen.
Gefahren, Fehler, Wartungsaufgaben können per
CAN-Bus übermittelt werden.
Komponenten: Dimmer
Dimmermodule lassen sich per DMX und CAN-Bus vernetzen.
Betriebsdaten sind abrufbar.
Komponenten: Bus Input Komponenten / Kommunikationsmaster
Zur Steuerung und Überwachung von Anlagen und Geräten eignen sich echtzeitfähige
Rechner, SPS Module und vorkonfigurierte Module diverser Hersteller.
Einfachen Anwendungen genügt bereits eine übliche PC Architektur mit
Kommunikationsschnittstelle zur Busankopplung.
Betriebssysteme wie Windows und Linux, in Verbindung mit
geeigneten Programmiersprachen wie C, C++, Visual Basic ermöglichen
die Erstellung von einfachen Bedienoberflächen.
Es existieren bereits vielfältige Steuerungsprogramme auf dem Markt.
Aufwendige Anwendungen, die unter Echtzeitbedingungen arbeiten sollen,
benötigen Industriecomputer, die geringe Latenzzeiten und echtes Multi-Tasking
ermöglichen.
Komponenten: Bus Input Komponenten / Kommunikationsmaster
CAN-Fernbedienung für Peripherieanlagen
und Automatisierungen von max. 60 Geräte.
Kontrolleinheit zur Überwachung und Wartung.
Es können Testfunktionen generiert werden.
Theorie
CAN-TECHNIK
CAN-Einführung
CAN steht für „Controller Area Network“ und wurde von der Robert Bosch GmbH
entwickelt und als Steuerbussystem in der Fahrzeugtechnik eingesetzt.
CAN ermöglicht die Vernetzung elektronischer Anwendungen.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik werden ABS, ASR, Sitzverstellung, Lichtanlage,
Amaturenbrett, Klimaanlage, Fensterheber usw. vernetzt.
Das CAN-Protokoll ist Internatinal genormt (ISO 11898).
CAN-Protokoll
CAN basiert auf einer linienförmigen Topologie.
Repeater und Router ermöglichen ausgedehnte baumartige Topologien und Netzstrukturen.
Die mögliche Netzausdehnung und Datenrate hängt stark vom verwendeten Busmedium ab.
Datenraten von über 1MBit/s bei einer Netzausdehnung von 50m sind möglich.
Bei einer Netzausdehnung von 110 m sinkt die Datenrate auf etwa 500 kBit/s.
Die Anzahl der Teilnehmer wird nicht vom Protokoll, sondern durch Treiberbausteine begrenzt.
Das CAN-Protokoll ist ein nachrichtenorientiertes Protokoll und
bedient sich den Möglichkeiten der Priorisierung von Nachrichten.
CAN ist ein Multi-Master-System.
Zur Gewährleistung geringer Latenzzeiten ist die Datenlänge auf 8 Byte begrenzt.
CAN-Protokollcontroller
Der Protokollcontroller übernimmt alle protokollbezogenen Aufgaben.
Er enthält alle erforderlichen Funktionen für die Fehlererkennung, Busarbitrierung,
Assemblierung, Serialisierung und Synchronisation.
Controller sind in den unterschiedlichsten technischen Ausführungen
erhältlich. Die Implementierungen des CAN-Protokolls sind bezüglich
der Kommunikation identisch.
Grundsätzlich kann man aber zwei Hauptgruppen unterscheiden.
Stand-alone Protokollcontroller besitzen keine eigene Intelligenz
und sind auf einen Host-Controller angewiesen.
Mikrocontroller mit integriertem CAN-Protokollcontroller sind kompakter und
in der Lage Steuerungsaufgaben und Datenvorverarbeitungen auszuführen.
Gleichzeitig ergibt sich eine bessere Zugriffszeit und geringere CPU-Belastung.
Busankopplung
Eine Busankopplung ist die Verbindung zwischen dem CAN-Protokollbaustein und
dem Busmedium. Zur Ankopplung verwendet man Transceiver-Bausteine.
Ein Transceiver-Baustein besteht im wesentlichen aus einem Sendeverstärker und
einem Empfangsverstärker, der dem Eingangskomparator des Protokollchips
vorgeschaltet ist.
Aufgabe: Anpassung der Signaldarstellung zwischen Baustein und Busmedium
Der Bustreiber sorgt für ausreichend Treiberleistung.
Technik: Der Eingangskomperator wandelt das Differenzsignal des CAN-Busses
in ein dem CAN-Signal entsprechenden Logikpegel um.
Fehlererkennung und Behandlung
Das CAN-Protokoll beinhaltet Überwachungsfunktionen für Netzknoten.
Fehler werden zu 100% erkannt.
Wichtigste Aufgabe:
Beim Überschreiten von festgelegten Fehlerraten
werden defekte Teilnehmer erkannt und vom Netzwerk abgetrennt.
Der Datenverkehr kann ungehindert fortgesetzt werden.
Wichtige Fehlererkennungsmechanismen:
Bitüberwachung: Netzknoten überwachen, ob ihre gesendeten Buspegel
auch auf dem Bus vorhanden sind.
Telegrammformatüberwachung: Formfehler in Nachrichten werden erkannt.
Zyklische Blockprüfung: Nachrichtenverfälschungen werden erkannt.
Beispiele
Einfache Konzepte
Netzknoten
Linienförmige Verbindung von Scheinwerfern
1 16
CAN-Bus
Einfache Vernetzung
Lichtsteuerung mit DMX, CAN-Bus und Schienensystem
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