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

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CAN-Bus

Einfache Vernetzung

Lichtsteuerung mit DMX, CAN-Bus und Schienensystem