CAN Grundlagen 2 - Datenübertragung

CAN Grundlagen

Bits und Bytes

EVA-Prinzip

Für die Verschlüsselung einer Nachricht werden üblicherweise 8-Bit-Codes verwendet. Je nach Art, wie die einzelnen Bytes einer Nachricht vom Sender zum Empfänger übermittelt werden, wird zwischen paralleler und serieller Übertragung unterschieden.

Unterschied zwischen paralleler und serieller Datenübertragung

parallele Datenübertragung

serielle Datenübertragung

Bei der parallelen Datenübertragung werden acht Bits gleichzeitig (parallel) vom Sender zum Empfänger übermittelt. Hierzu ist jedoch ein Kabel mit acht parallel geführten Leitungen notwendig.

Vorteil: Hohe Übertragungsgeschwindigkeit
Nachteil: Hoher Verkabelungsaufwand

angewandt bei Computern

Die serielle Schnittstelle dient hauptsächlich der digitalen Kommunikation zwischen den Steuergeräten.

Die zu übertragenden Daten werden bitweise nacheinander (seriell) auf einer einzigen Leitung übermittelt.

Vorteil: Geringer Verkabelungsaufwand
Nachteil: Langsamere Datenübertragung

angewandt beim CAN-Bus im Kfz

Ablauf der Datenübertragung

Jedes am CAN-Bus angeschlossene Steuergerät verfügt über eine so genannte Busanbindung. Diese besteht aus einem Buscontroller und einem Transceiver.

Der Buscontroller koordiniert das Senden und Empfangen von Daten über den Bus, sodass die CPU von diesen Aufgaben befreit und somit nicht zusätzlich belastet wird. Damit der Datenaustausch über eine gemeinsame Busleitung nicht in einem unkontrollierbaren Chaos endet, ist die Einhaltung gewisser Kommunikationsregeln unerlässlich.

Diese Regeln sind in einem Protokoll festgehalten. Der Buscontroller sorgt dafür, dass dieses Protokoll eingehalten wird. Ähnlich wie der Signalwandler und die Endstufe des Steuergeräts sorgt der Transceiver dafür, dass die Signale auf dem Bus in für den Buscontroller lesbare Signale umgewandelt werden und andersherum nur protokollkonforme Signale auf den Bus gesendet werden. Buscontroller und Transceiver sind in der Regel zu einem Bauteil zusammengefasst.

Controller	Der CAN-Controller bekommt vom Mikrocomputer im Steuergerät die Daten, die gesendet werden sollen. Er bereitet sie auf und gibt sie an den CAN-Transceiver weiter. Die Daten werden im Controller in eine hochfrequente Rechteckspannung (ca. 200 Hz) umgewandelt und auf eine kleine Gleichspannung (z.B. 5V) moduliert. Der Controller bekommt auch Daten vom CAN-Transceiver, bereitet diese ebenfalls auf und gibt sie an den Mikrocomputer im Steuergerät weiter.
Transceiver	Bindeglied zwischen Steuergerät und Datenbus. Der CAN-Transceiver ist ein Sender (Transmitter) und ein Empfänger (Receiver). Er wandelt die Daten vom CAN-Controller um und sendet sie in die Datenbusleitungen. Genauso empfängt er die Daten und wandelt sie für den CAN-Controller um.
Datenbus-Abschluss	Der Datenbus-Abschluss ist ein Widerstand, der verhindert, dass die gesendeten Daten von den Enden als „Echo“ zurückkommen und die Daten verfälschen. Auch die Diagnose wird durch diese Widerstände ermöglicht. Sie verhindern eine sogenannte Rückkopplung. Häufig werden 120 Ω verwendet.
Datenbusleitungen	Die Datenbusleitungen sind bidirektional und dienen zum Übertragen der Daten. Sie werden mit CAN-High (1) und CAN-Low (0) bezeichnet. Um Störeinflüsse auf die Datenübertragung zu verhindern, werden die zwei Datenbusleitungen miteinander verdrillt. Zugleich werden dadurch auch Störabstrahlungen von der Datenbusleitung verhindert. Eine zusätzliche Abschirmung (wie z.B. bei Koaxialkabeln) ist nicht erforderlich. Auf beiden Leitungen ist die jeweilige Spannung entgegengesetzt, d.h. wenn die Spannung auf der einen Leitung 5 V beträgt, dann beträgt sie auf der anderen 0 V und umgekehrt. Dadurch ist die Spannungssumme zu jeder Zeit konstant und die elektromagnetischen Feldeffekte der beiden Datenbusleitungen heben sich gegenseitig auf. Für die Datenübertragung würde im Grunde nur ein einadriges Kabel benötigt. Ein solcher Eindrahtbus ermöglicht allerdings nur eine relativ geringe Übertragungsgeschwindigkeit. Außerdem muss allen an den Eindrahtbus angeschlossenen Stationen die elektrische Fahrzeugmasse zur Verfügung stehen. Daher reagiert ein Eindrahtbus empfindlicher auf äußere elektrische Störimpulse. Auch der LIN-Bus besitzt nur eine Datenleitung. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Eindraht-Busse im Kfz nur als Sub-Bus (z.B. für Klimaanlage oder Dachelektronik) eingesetzt. Leider existiert keine einheitliche Farbgebung. Die beiden Drähte können daher von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich gefärbt sein.

Daten	Beschreibung
bereitstellen	Die Daten werden dem CAN-Controller vom Steuergerät zum Senden bereitgestellt.
senden	Der CAN-Transceiver bekommt vom CAN-Controller die Daten, wandelt sie in elektrische Signale um und sendet sie.
übertragen	In den CAN-Leitungen werden die Spannungssignale an alle angeschlossenen Steuergeräte übertragen.
empfangen	Alle anderen Steuergeräte, die mit dem CAN-Datenbus vernetzt sind, werden zu Empfängern.
prüfen	Die Steuergeräte prüfen, ob sie die empfangenen Daten für ihre Funktionen benötigen oder nicht.
übernehmen	Sind die Daten wichtig, werden sie übernommen und verarbeitet, ansonsten vernachlässigt.

Datenprotokoll

Der CAN-Datenbus überträgt in kurzen Zeitabständen ein Datenprotokoll zwischen den Steuergeräten. Das Datenprotokoll besteht aus einer Vielzahl von aneinander gereihten Bits. Die Abbildung zeigt den Aufbau eines Datenprotokolls („data frame“), das auf beiden Leitungen identisch ist.

Datenprotokoll CAN-Bus

Nr.	Feldbezeichnung	Beschreibung
1	Anfangsfeld	Kennzeichnet den Anfang einer Nachricht.
2	Statusfeld	Angabe der Datenart und dessen Priorität. Wollen z.B. zwei Steuergeräte gleichzeitig ihr Datenprotokoll senden, hat das mit höherer Priorität Vorrang. (Identifier)
3	RTR	Kennzeichnet, ob Daten angefordert oder gesendet werden.
4	Kontrollfeld	Hier steht die Anzahl der im Datenfeld stehenden Informationen. So kann jeder Empfänger überprüfen, ob er alle Informationen empfangen hat.
5	Datenfeld	Dort sind die Informationen für die anderen Steuergeräte enthalten.
6	Sicherungsfeld	Es dient zur Erkennung von Übertragungsfehlern. Wird ein Fehler erkannt, teilen sie dies dem Sender sofort mit. Daraufhin wiederholt der Sender seine Übertragung.
7	Bestätigungsfeld	In diesem Feld wird der korrekte Empfang vom Empfänger bestätigt.
8	Endefeld	Kennzeichnet das Ende einer Nachricht.
9	Ruhezustand	Ruhezustand auf dem CAN-Bus bis zur nächsten Botschaft.