Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert Lange

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CAN-Protokoll, CAN-BusController Area Network

Vortrag für das Hauptseminar inInformations- und Kommunikationstechnik

Robert Lange, 27.05.2003

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert LangeInhalt

Einführung

Entwicklungsgeschichte

Vergleich mit Ethernet-Protokoll, Eigenschaften

Rahmenformate

Arbitrierung

Fehlereinteilung

Behandlung defekter Station

Anwendungen

Inhalt

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert Lange

1983 Start als Bosch-internes ProjektHauptziel: erweiterte Funktionalität

1986 Offizielle EinführungVorstellung auf dem Society of Automotive Engineers Kongress

1987 Erste CAN Controller auf dem Markt verfügbarINTEL 82526, Philips 82C200

1991 Veröffentlichung der CAN Spezifikation 2.0 durch Bosch

1992 Mercedes-Benz stattet S-Klasse mit CAN Netzwerk aus

1993 Veröffentlichung ISO 11898 Standard

1994 Erste internationale CAN KonferenzOrganisiert durch CAN in Automation Gruppe

1995 Nachtrag zu ISO 11898: Erweiteres Rahmenformat

2000 Entwicklung von TTCANzeitgesteuertes Kommunikationsprotokoll für CAN

Entwicklungsgeschichte

Entwicklung

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert LangeVergleich mit Ethernet-Protokoll

Gemeinsamkeiten CAN und Ethernet

Topologie: Serielle Busstruktur

Nachrichtenübermittlung: Broadcast

Zugriffsmöglichkeit: Multi-Master

Zugriffsverfahren: stochastisch, Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Nur bei CAN zu finden

Priorisierung der Nachrichten

Quittierung innerhalb des Nachrichtenrahmens als Empfangsbestätigung

Meldung von Übertragungsfehlern auf dem Bus mit anschliessenderautomatischen Sendewiderholung

Selbsterkennung von fehlerhaften Stationen

Vergleich mit Ethernet-Protokoll

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert Lange

CAN Unterschiede Ethernet

Vergleich mit Ethernet-Protokoll

Buskollisionen

Rahmenarten

Zielkennzeichnung

Adressraum

Nutzlast

maximale Datenrate

physikalischeÜbertragung

Bitsynchronisation

Abbruch der Sendungen(CSMA/CD)

Auflösung von Kollisionen(CSMA/CR)

Daten; ggf. Unterscheidungnach 802.3 LAN und Ethernet

Daten, Datenanforderung,Fehler, Überlast

weltweit eindeutigeStationenkennzeichnung

Nachrichten werden nachInhalt klassifiziert

46 Bit11 bzw. 29 Bit

46 bis 1500 Bytes0 bis 8 Bytes

1 GBit/s1 MBit/s

Manchester-KodierungNon-Return-To-Zero(NRZ) Kodierung

Manchester-KodierungBit-Stopf-Verfahren

Vergleich: Unterschiede• Einfügung eines komplementären Bit nach 5 gleichartigen Bits• Zusätzliches Bit wird durch Empfänger wieder entfernt

Bit-Stopf-Verfahrenbei CAN:

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert LangeRahmenformate

Datenrahmen und Anforderungsrahmen

SOF Start of Frame (Rahmenbeginn)ACK Acknowledgement (Bestätigung)RTR Remote Transmission Request (Unterscheidung Daten/Anforderungsrahmen)IDE Identifier Extension Bit (Unterscheidung Standard/Erweiterter Rahmen)SRR Substitute Remote Request (Ersetzt das RTR aus dem Standardrahmens)IDx Identifier Bit x (Nachrichtenkennung)

(RTR dominant) (RTR rezessiv)

6-12 Bits(dominant)

8 Bits(rezessiv)

Error Flag Error Delimiter

Fehlerrahmen

• dominant• rezessiv

Signalpegel:

Rahmenformate

RahmenSO

F ACKArbitrierung Datenlänge Daten(nur bei

Datenrahmen)

Prüfsumme Rahmen-ende

Bits 1 12/32 6 0-8 Bytes 16 2 7

ErweiterterRahmen(IDE rezessiv)

11 Bit 1 1StandardRahmen(IDE dominant) Kennung

RT

RID

E

ID28 ID18

11 Bit 1 1 18 Bit 1

Kennung Kennung

SRR

IDE

RT

R

ID28 ID18 ID17 ID0

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert LangeArbitrierung

Signalpegel

• dominant• rezessiv

Ablaufschema der Arbitrierung

Anmerkung: Gilt nur im Arbitrierungsfeld

Solange Sendeerlaubnis

Sende nächstes Bit desArbitrierungsrahmens

Beobachte Bus

Bus == gesendet ?

Ja Nein

% Stelle Sendung ein

Bei Sendeerlaubnis jetztNachricht übermitteln

Verfahren: CSMA/CR

Arbitrierungsvorgang für Standard-Rahmen

Arbitrierung

Bus

Station 3

Station 2

Station 1

SOF 10

98 6 4 2 0

7 5 3 1RTR

Rest derNachricht

dominant

rezessiv

dominant

rezessiv

dominant

rezessiv

dominant

rezessiv

Arbitrierungsfeld

Passiv

Passiv

logische UND-Vernüpfung

Quelle A Quelle B Busdominant dominant dominantrezessiv dominant dominantdominant rezessiv dominantrezessiv rezessiv rezessiv

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert Lange

Fehlereinteilung

Fehlereinteilung

Unterscheidung der Fehlertypen

Bitfehler: anderes Bit detektiert als gesendet (nur für Sendestation)

Ausgenommen: Arbitrierungsfeld, Acknowledgement-Feld

Bitstopf-Fehler: Verletzung der Bit-Stopf-Regel

CRC Fehler: Prüfsumme stimmt nicht mit Nachricht überein

Formfehler: Fehler in festgelegter Rahmenstruktur

Bestätigungs-Fehler: keine Bestätigung (ACK) erhalten

Reaktion: Aussenden von Fehlerrahmen

Generatorpolynom für CRC Code Nur Verwendung zur Fehlererkennung, nicht zu Korrektur

Hamming-Distanz von 6

Erkennung von bis zu 6 Einzelbitfehlern, Burst-Fehler bis 15 Bit Länge

x15x14x10x8x7x4x31

Hauptseminar 2003

CAN-Protokoll Robert LangeBehandlung defekter Stationen

Problem: Fehlerhaft arbeitende Station kann Bus durch dauerhaftes Aussenden von Fehlerrahmen blockieren, obwohl eine korrekte Nachricht vorliegt

Lösung: Station trennt sich schrittweise vom Bus, wenn lokaler Fehler erkannt wird

Verfahren (vereinfacht)• jede Station führt Fehlerzähler: Transmit (TEC) und Receive Error Count (REC)• Sender stellt Übertragungsfehler fest: TEC=TEC+8• Sender überträgt Nachricht erfolgreich: TEC=TEC-1 (minimal Null)• Empfänger stellt lokalen Fehler fest: REC=REC+8• Empfänger stellt globalen Fehler fest: REC=REC+1• Empfänger erhält Nachricht fehlerfrei: REC=REC-1 (minimal Null)

Behandlung defekter Stationen

Übergänge bei steigenden Fehlerzählern

TEC 128

REC128

TEC 128

128TEC255

TEC255

volleBusteilnahme

keine Sendungvon

Fehlerrahmen

nur nochMithörenerlaubt

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CAN-Protokoll Robert Lange

Anwendungen

Anwendungen

Automobil eingebettete Systeme

Bebro Electronic

Phill

ips

WM

F

Fabrik

Kone

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CAN-Protokoll Robert Lange

Ende

Quellen

CAN Controller Area Network, 2. Auflage, Wolfhard Lawrenz,Hüthig Verlag Heidelberg, ISBN 3-7785-2575-1

http://www.can-cia.de

BOSCH CAN Specification 2.0 (www.can.bosch.com/docu/can2spec.pdf)

Zukunft des CAN-Bus

Selbst konservative Schätzungen erwarten ein weiteres Wachstum in den nächsten10 bis 15 Jahren. Dazu trägt bei, das US bzw. fernöstliche Automobilhersteller

erst mit CAN-Einsatz beginnen. Auch sind weitere Anwendungsgebiete, wie derEinsatz des CAN-Busses im Bereich der Unterhaltungselektronik, in Planung.