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1 - 12 S tudent Guide SIPLACE HF/HF3 3 Kommunikation und S t euerung Ausgabe 09/2005 12 3.3.2.1 1 1-Bit Identifier Das CAN-Bussystem verwen det den 1 1-Bit-Identifi er zur Adressierung der versch. CAN- Objekte. Abb. 3.3 …

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Student Guide SIPLACE HF/HF3

Ausgabe 09/2005 3 Kommunikation und Steuerung

3.3.2 Allgemeines zum CAN-Bus

– CAN ist ein serielles Bussystem und wurde speziell für die Netzwerktechnik von Sensoren

und Aktoren in einem System oder Subsystem entwickelt.

– CAN ist ein serielles Bussystem mit Multimaster Fähigkeiten, d.h. Buszugriffe können

gleichzeitig gestartet werden.

– Im CAN Netzwerk gibt es keine Adressierung der Einzelkomponenten im herkömmlichen

Sinn, sondern priorisierte Meldungen werden an alle Teilnehmer gesendet (broadcasting).

Jeder Teilnehmer entscheidet dann, ob er diese Information bearbeitet oder nicht. Der Iden-

tifier entscheidet ob dieser Buszugriff im Vergleich zu einer anderen Meldung / Nachricht

sofort erfolgt oder verzögert wird. Die Programmierung ist vergleichsweise einfach durch

die relative simple CAN-Bus Kommunikation.

– Jede CAN Nachricht kann 0 bis 8 Byte Benutzerinformation übertragen. Längere Nachrich-

ten kann man durch segmentierte, d.h. vereinzelte Datenblöcke übertragen. Die maximale

Übertragungsrate wird mit 1 Mbit/s spezifiziert. Dieser Wert wird in Netzwerken mit bis zu

40 m Länge erreicht. Größere Entfernungen reduzieren die Übertragungsrate z. Bsp. bei

einer Länge von 500 m ungefähr 125 Kbits oder bei 1 km Länge ungefähr 50 Kbit/s.Jede

CAN-Botschaft kann maximal 8 Byte an Benutzernachrichten übermitteln. Natürlich können

mittels Segmentierung auch längere Dateninformationen übermittelt werden. Die maximale

Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 1 Mbit/s bei einer Buslänge von ca. 40 m. Bei

größeren Distanzen muss die Datenrate reduziert werden:

Bei Distanzen bis zu 500 m ist eine Geschwindigkeit von 125 kbit und bei Übertragungen

bis zu 1 km eine Geschwindigkeit von 50 kbit/s möglich.

Abb. 3.3 - 5 CAN-Bus-Länge

Die maximale Busgeschwindigkeit 1 MBaud und wird bei einer Buslänge von 40 m durch Verwen-

dung eines Twisted-Pair Kabels erreicht. Bei größeren Längen als 40 m muss die Geschwindig-

keit reduziert werden. Eine Buslänge über 1000 m erfordert spezielle Treiber.

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3 Kommunikation und Steuerung Ausgabe 09/2005

3.3.2.1 11-Bit Identifier

Das CAN-Bussystem verwendet den 11-Bit-Identifier zur Adressierung der versch. CAN-Objekte.

Abb. 3.3 - 6 11-Bit-Identifier

3.3.2.2 CAN-Bus-Protokoll

Abb. 3.3 - 7 CAN-Bus-Protokoll

Start:

– Diese Bit kennzeichnet den Beginn eines Telegramms und besteht aus einem dominanten Bit.

Ein TN kann mit der Arbitrierung nur beginnen, solange sich der Bus im Ruhezustand befindet.

Adressenfeld (11 Bit Identifier):

– Der Wert des 11 Bit Identifier entscheidet über den Buszugriff. Der niedrigere Wert besitzt die

höhere Priorität.

Steuerfeld:

– Die 4 niedrigsten Bit des 6 Bit Feldes geben die Datenlänge des nachfolgenden Datenfeldes

in Bytes an (DLC: data length code).

Datenfeld:

– Enthält die eigentliche Nutzinformation und kann 0 bis 8 Byte umfassen. Die Übertragung ei-

nes Bytes beginnt mit dem höchstwertigen Bit.

Datensicherungsfeld CRC:

– Besteht aus einer 15 Bit Prüfsequenz (CRC Sequence + CRC Delimiter = CRC Field - Cyclic

Redundancy Check), sowie einem rezessiv übertragenem Begrenzungsbit. Mit der in der Prüf-

sequenz enthaltenen redundanten Information kann der Empfänger nachprüfen, ob die

empfangene Nachricht durch Störeinwirkungen verfälscht wurde.

Ende:

– Jedes Datentelegramm wird durch eine Bitsequenz von 7 rezessiven Bits abgeschlossen.

Bit 10 Bit 9 Bit 8 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit Bit 1 Bit 0

KKCCCCPPTTT

Knotentyp (K) CAN Objekt (C) Portalnummer (P) Telegrammtyp (T)

Abhängig vom

Knotentyp

00: Sektor 1 000 Kommando

01: Sektor 2 001 Nachricht

10: Sektor 3

11: Sektor 4

00: Köpfe

01: Achsen

10: BE-Tische

11: reserviert

Start

Adresse

(11 bit Kennung)

Steuer-

information.

Daten (0-8 Bytes

Benutzerinformation)

CRC

Ende

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Ausgabe 09/2005 3 Kommunikation und Steuerung

3.3.2.3 CSMA: Vermeidung von Datenkollision

Ist der Bus frei, kann jedes Objekt eine Datenübertragung versuchen. Die Nachricht mit der

höchsten Priorität wird zuerst übertragen. Die TN mit einer niedrigeren Priorität ziehen sich zurück

und versuchen es erneut, sobald die Datenübertragung abgeschlossen ist.

Abb. 3.3 - 8 CSMA: Vermeidung von Datenkollision

3.3.2.4 CAN-Bus Arbitrierung

Arbitrierung (engl. Arbitration bedeutet übersetzt ’Schiedsgericht’)

Bei CAN erfolgt der Buszugriff durch die TN völlig unkoordiniert nach dem Prinzip des dezentralen

Buszugriffs. Es ist grundsätzlich möglich, dass mehrere TN gleichzeitig mit dem Senden einer

Nachricht (Kommando oder Meldung) beginnen. Generell gilt, dass ein TN nur dann den Bus be-

legen kann, wenn dieser frei ist. Die Busteilnehmer erkennen den Belegungszustand des Busses

über eine festgelegte Zeitspanne, innerhalb welcher der Bus auf Ruhepotential sein muss.

Immer dann, wenn mehrere TN gleichzeitig mit dem Senden einer Nachricht beginnen, wird im

Rahmen einer Auswahlphase (Arbitrierungsphase) entschieden, welcher TN am Bus verbleiben

darf.

Ein solcher Buszugriffskonflikt wird durch bitweises Aufschalten des Nachrichtenarbitrierungsfel-

des (Standard ist ein 11 Bit Identifier) aufgelöst.

Grundlage der bitweisen Arbitrierung ist die Unterscheidung von 2 physikalischen Buspegeln, ei-

nem dominanten (low) und einem rezessiven Bit (high).

Ein freier Bus befindet sich auf rezessivem Pegel. Ein TN, der den Bus belegt, signalisiert dies

durch Aufschalten eines dominanten Bits (SoF,

Start of Frame). Während der Arbitrierungsphase

vergleicht jeder sendende TN den von ihm aufgeschalteten Buspegel mit dem tatsächlich auf dem

Bus vorhandenen Pegel.

Jeder TN, der ein rezessives Bit gesendet hat und ein dominantes beobachtet, stellt seinen

Arbitrierungsversuch sofort ein und wird zum möglichen Empfänger der Nachricht. Am Ende der

Arbitrierung bleibt nur derjenige TN am Bus, dessen Nachricht den niedrigsten Identifierwert

besitzt (logische Null wird durch dominanten Pegel abgebildet). Die Priorität einer Nachricht ist

also höher, je niedriger der Wert des Identifier dieser Nachricht.

Buszugriff

kurze Wartezeiten

für

Telegramme

mit hoher Priorität

CSMA / CD: Carrier Sense Multiple Access by Collusion Detection

im Falle einer Kollision

startet der TN mit der

niedrigeren Priorität

später

Carrier Sense

Multiple Access

(CSMA)

ollision

Detection

(CD)