ATMEL Microcontroller und CAN-Bus

2 Der CAN-Bus

Was CAN der Bus?

Was ist ein Bus?

• Feldbussysteme - spezialisierte busbasierte Netzwerke in einem kleinen (Um-)feld
• CAN
• ControlNet
• PROFIBUS
• INTERBUS
• Vorteile: weniger Kabel/Gewicht, kurze Signalwege, Schutz gegen Störsignale, flexible Erweiterbarkeit, Standardisierung
• Nachteile: geringfügig höhere Reaktionszeit, Komponenten teurer

Buszugriffsverfahren

• Unterscheidung in deterministisch - zentral/dezentral gesteuert und zufällig - (nicht) kollisionsfrei
• Master-Slave-Verfahren
• Delegated Token
• Token Passing
• TDMA (Time Division Multiple Access)
• CSMA/AD (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance)
• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect)

2.1 Geschichte und Allgemeines

• seit 1983 von BOSCH vorrangig für KFZ-Bereich entwickelt
• Ziel: Reduzierung der oft bis über 2km langen Kabel (100kg)
• notwendig für zentrale Steuerung von Fensterhebern, Spiegel- und Sitzeinstellung, Motormanagement, ABS, ESP, Klima, ...
• heute: KFZ der Oberklasse mit ca. 100 Mikrocontrollern
• Notwendigkeit für:
  • hohe Fehlertoleranz
  • Optmierung auf kleine Datenmengen
  • mgl. einfache und billige ICs
  • einfacher Busaufbau
• verschiedene andere Bussysteme zugunsten von CAN eingestellt
• seit 1992 Einsatz bei Mercedes, heute von fast allen Automobilkonzernen genutzt
• Interesse auch von Industrie => messen, steuern, regeln (Bsp.: Aufzüge)
• Ergebnis: simple Handhabung, große Verbreitung und (genormte) Produktvielfalt, günstige Preise

2.1.1 Normung

• ISO/OSI-Referenzmodell
  • Physical Layer (1) - Low-Speed-CAN ISO 11519-2 (5-125 kBit/s) und High-Speed-CAN ISO 11898 (max. 1 MBit/s)
  • Data Link Layer (2) - Logical Link Control, Medium Access Control nach ISO 11898 => CAN 2.0A, CAN 2.0B
  • Application Layer (7) - CAL (CAN Application Layer for industrial Application), Spezifikationen für DeviceNet und SDS (Smart Distributed System)
  • Layer 8 - CANopen, DeviceNet, SDS
• Normung und Weiterentwicklung von CiA (CAN in Automation) http://can-cia.de

2.1.2 Spezifikationen

• Unterscheidung:
  • CAN (laut 2.0A/2.0B max. 32 Teilnehmer)
  • CANopen (vorrangig Industrieautomatisierung, Datenfeld wird für Objektadressierung mitgenutzt, enthält Synchronisationsprotokoll)
  • DeviceNet (max. 64 Teilnehmer, meist mehrere Identifier pro Teilnehmer)
• Busrealisierung mit TP-Kabeln, Anschlüsse meist 9-pol. SUB-D, Abschlußwid. ca. 120 Ohm
• CSMA/CA auf 2 Leitungen (CAN_HIGH, CAN_LOW), meist auf 3. Leitung (Schirm) CAN_GND
• Spannungsversorgung über Bus optional mgl.
• max. Datenübertragungsrate 1 Mbit/s bis 40m, 125 kbit/s bis 500m
• Differenzspannungen nach ISO11898:
  • rezessive Bits (Potential CAN_GND +0...0,5V)
  • dominante Bits (Potential CAN_GND +0,9...2,0V)
• verschiedene fertige Tranceiver verfügbar
• weiterhin genormt: Busanzapfungen, Interfaceanschlußstecker
• auch andere als hier erwähnte Realisierungen am Markt (z.B. einadrige Bussyteme, andere Differenzspannungen, (dynamisches) Zeitschlitzverfahren als Ergänzung zum CSMA/CA)

2.2 Datenübertragung

2.2.1 Nachrichtenaustausch

• allgemeine Unterscheidung in:
  • teilnehmerorientiert (z.B. TCP/IP)
  • objektorientiert (z.B. CAN)
• Priorisierung (über Identifier)
• 0 = dominant, 1 = rezessive
• Verwendung von CAN-Frames:
  • Data-Frame
  • Remote-Frame
  • Error-Frame
  • Overload-Frame
• 0-8 Byte Daten im Data-Frame
• 11-Bit-Identifier nach CAN 2.0A (max. 2,032 Objekte, Framelänge max. 117 Bit)
• 29-Bit-Identifier nach CAN 2.0B (max. 536,870,896 Objekte, Framelänge max. 136 Bit)

2.2.2 Data-Frame

• Start of Frame (dominantes Bit)
• Arbitration Field (11 Bit Identifier, Remote Transmission Request Bit)
• Control Field (Identifier Extension-Bit (rezessiv => 29-Bit-Identifier), dominantes Reserve-Bit 0)
• Data Length Code
• Data-Field
• CRC-Field (15 Bit Checksumme, 1 dominantes Bit)
• Acknowledge-Field (ACK-Slot wird rezessiv gesendet, Empfänger überschreibt bei Erfolg dominant)
• EOF-Field (7 rezessive Bits)
• Intermission-Field (3 Bit Pause auf Bus für Datenverarbeitung durch Clients)

2.3 Fehlertoleranz

• Hamming-Distanz HD=6 (Feldbus allg. mind. 4, Wikipedia, Hamming-Abstand)
• 5 Fehlererkennungsstrategien bei CAN:
  • Bit-Fehler-Erkennung (Selbsttest der gesendeten Daten)
  • Stuffbit-Fehler-Erkennung (max. 5 gleiche Bits in Folge, dann Komplementärbit, Ausnahme EOF-Field)
  • CRC-Fehler-Erkennung (Integritätscheck Daten-CRC-Summe)
  • Acknowledgement-Fehler-Erkennung (mind. 1 Empfänger muß ACK-Slot-Bit dominant überschreiben)
  • Format-Fehler-Erkennung (Erkennung von dominanten Bits an rezessiven Stellen)
• bei erkanntem Fehler:
  • Nachricht wird verworfen
  • Senden eines Error-Frames mit 6 dominanten und 8 rezessiven Bits
  • Sender erkennt Fehler ebenfalls und wiederholt später die Nachricht
• CAN enthält Konzepte für stationsinterne Fehler

2.4 Lösungen am Markt

• Unterscheidung BasicCAN, FullCAN (Filterung, Speichertiefe)
• fast alle namhaften Hersteller von ICs bieten CAN-Lösungen an
• Stand-alone Controller:
  • Philips SJA1000 (Nachfolger vom 82C200), sehr stark verbreitet, oft auch integriert, Modul CANDIP
  • Intel 82527
  • Microchip MCP2510
  • OKI MSM9225
  • Infineon 82C900
  • Bosch C_CAN
• mit integr. Microcontroller:
  • Atmel T89C51CC01
  • Dallas DS80C390
  • Infineon C515C/C505C/C167CS
  • Philips P8xC592/P8xC591/XA C3
• auch erhältlich: Controller mit CAN-Multiplexer, I/O mit CAN, ASICs mit CAN
• CAN-Tranceiverbausteine
  • Infineon TLE 6250/TLE 6254 G/TLE 6255 G/
  • Philips 80C250/80C251/80C252/TJA 1050/TJA 1054
  • Motorola MC 33388

2.5 Einfaches SJA1000-Interface

2.5.1 Referenzdesign / Elektorlösung

• wichtige Datasheets/Appnotes:
  • AN97076_SJA1000.pdf (alles Wissenswerte zum SJA1000)
  • AN96116_PCA82C250.pdf (Referenzdesign mit Tranceiver Philips PCA82C250)

2.5.2 Eigenentwicklung

• angelehnt an Elektorlösung, aber 1-seitige Platine
• Microcontroller über Port 1/2 und Busabkopplung über Port 3 steckbar
• integrierte Spannungsversorgung mit Gleichrichter und 5V-Spannungsregler