bussysteme - Institut für Elektronik, TU-Graz
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Elektronische Lenkung (Steer (Steer--byby-Wire) Wire) Elektronische Bremse (Brake (Brake--ByBy-Wire) Wire) Elektronisches Gaspedal Elektronische Sitzverstellung, Fensterheber, Schiebedach Zentralverriegelung (Keyless (Keyless--Go) Go) , Spiegelverstellung usw. Multimediakomponenten Mobiltelefon, Navigation, CD / DVD – Multimedia, MP3 … Internet, Telematik, Analog TV, Digital Terrestrisches Fernsehen, (DVB(DVB-T) DigitalDigital- Radio usw. 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 BUSSYSTEME IM KFZ VORTEILE VON BUSSYSTEMEN: Reduktion der Verkabelung -> Gewicht, Preis Modularisierung der Komponenten Sicherheit durch Redundanz Erweiterbarkeit Fehlerdiagnose, Auswertung, Lokalisierung Erweiterte Kommunikationsfähigkeit 2 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 BUSSYSTEMEÜBERSICHT Die unterschiedlichen Anforderungen der Subsysteme an das Kommunikationssystem machen den Einsatz von mehreren Systemen notwendig. • Mechatronische Applikationen/ Smart Sensor und Smart Aktor (Klasse A) z.B. Reifendrucksensoren, Regensensors, Diebstahlschutzfunktionen, Lüfter… • Karosserieelektronik (Klasse B) z.B. Klimaanlage, Sitz- und Spiegelverstellung, Lampensteuerung und Zentralverrieglung … • Antrieb/Fahrwerk (Klasse C) z.B. Steuergeräte des Motors, des Getriebes, des Fahrwerks und der Bremsen • Sicherheitskritische Systeme z.B. Sicherheitssysteme (Airbag) • Mobile Kommunikation/ Telematik Autoradio, Navigation, CD-Wechsler, Bedien- und Anzeigeeinheit, Internet, E-Mail, DVD- Player, TV, … 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 CAN – BUS (Controller Area Network) Entwicklung von BOSCH / INTEL 1981 ISO/OSI - Standardisiert Anfang der 90er Jahre Einsatz in Kfz Anwendungsbereich: Automobilindustrie, Industrie Applikationen in Textilmaschinen Gerä Geräten und Apparaten der Medizintechnik Aufzü Aufzügen und Nutzfahrzeugen 3 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 CAN – BUS EIGENSCHAFTEN: Multi-Master-Bus Echtzeitfähigkeit Bitrate: 10 kBit/s bis 1 Mbit/s (effektiv: 500 kBit/s) Buslänge von 40m bis 1 km bei bis zu 32 Knoten Datenblocklängen von bis zu 8 Byte Nachrichtenorientiert Ereignisgesteuert Hohe Übertragungssicherheit und Datenkonsistenz 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 CAN – BUS NACHRICHTENFORMAT DATENFRAME: Nutzdaten (0..8Byte) 4Bit Länge 2 Reservierte Bits 11Bit Identifier + RTC – Bit (29Bit extended Protokoll) Dominantes Bit für Sendeversuch 7 rezessive Bits Bestätigung CRC Prüfsumme RTC … Remote Transmission Request 4 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 CAN – BUS BUSARBITRIERUNG 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. A,B,C " STARTBIT & ZURÜCKLESEN VOM BUS 2. A,B,C " ID auf BUS SCHREIBEN & ZURÜCKLESEN VOM BUS 3. B " SCHREIBT „1“ und LIEST „0“ ENDE -> EMPFANGSMODUS 4. A, C " ID auf BUS SCHREIBEN & ZURÜCKLESEN VOM BUS 5. C " SCHREIBT „1“ und LIEST „0“ ENDE -> EMPFANGSMODUS 6. A " „GEWINNT“ -> NACHRICHT WIRD GESENDET 7. u.s.w 7. KNOTEN MIT HÖCHSTER PRIORITÄT SENDET ALS ERSTER ! Knoten A -> Knoten C -> Knoten B 0… dominante Bits 1… rezessive Bits 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 CAN – BUS FEHLERERKENNUNG: Cyclic Redundancy Check (CRC) … Prüfsumme Frame Check … Länge und Struktur des Frames ACKACK-Fehler … Empfangsbestätigung Bitstuffing … auf 5 aufeinanderfolgenden gleichwertigen Bits " Stuffbit mit komplementä komplementären Wert Monitoring … Überwachung von Buspegel FEHLERBEHANDLUNG: Knoten von CANCAN-BUS Abschaltung (im Dauerfehlerfall) EMV: weitestgehend RESISTENT gegen EMV – Störungen ! 5 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 TIME-TRIGGERED – CAN CAN- BUS " Ereignisgesteuerte Kommunikation im Worst Case nicht deterministisch ! (keine Aussage über die Sendezeit) " Zeitgesteuerter Ansatz " TTCAN (Time Triggered CAN) (für sicherheitsrelevante Systeme) TTCAN basiert auf CAN Alle Knoten haben dieselbe Zeit zur Verfügung (Referenznachricht für Synchronisation) Festlegung der Zeitfenster durch Systemmatrix Ereignisgesteuerter Ansatz kann auch im zeitgesteuerten Ansatz integriert werden 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 TIME-TRIGGERED – CAN SYSTEMMATRIX 6 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 LIN – BUS LOCAL INTERCONNECT NETWORK ANWENDUNGEN: • Gründung durch die Firmen Daimler Chrysler, BMW, Audi, Volkswagen, Volcano Communication Technologies und Motorola 1998 • einheitlicher Kommunikationsstandard für mechatronische Systeme • seit 2001 erfolgte bei Daimler Chrysler der erste Serieneinsatz • sehr preiswertes Bussystem • max 19,6KBit/s 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 LIN – BUS Der LIN- Standard im Überblick: Teil 1 •Master-Slave-Zugriffssteuerung • Slaves können dadurch kostengünstig realisiert werden • Ein Slavemodul antwortet auf eine Anfrage vom Master, • der Master sendet eine Nachricht an ein oder mehrere Slavemodule • der Master initiiert die Kommunikation zwischen zwei Slavemodulen. •Eindrahtverbindung • Datenübertragung erfolgt über eine ungeschirmte Eindrahtleitung •Definiertes EMV- Verhalten • genaue Definition der Bitübertragungsschicht • definierte Flankensteilheit •Byteorientiertes Protokoll • asynchrones Protokoll • Implementierung des Protokolls auf vielen µC mit serieller Schnittstelle möglich 7 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 LIN – BUS Der LIN- Standard im Überblick: Teil 2 •Nachrichten- Identifier • verwendet keine Adressen sondern " Nachrichten-Identifier • dadurch problemlose Multicast- und Broadcast- Kommunikation Zeitgesteuerte Datenübertragung • im Master Scheduling- Tabelle hinterlegt " dadurch Vorgabe der Reihenfolge und Zeitraster der einzelnen Nachrichten LIN- Frame: 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 FLEXRAY - BUS EIGENSCHAFTEN: Teil 1 • Entwicklung durch DaimlerChrysler, BMW und verschiedene Halbleiterhersteller seit 1999 • Herstellerübergreifend • Standardisiert • Nicht kommerziell ! • zuverlässige und echtzeitfähige Datenübertragung • Datenübertragungsrate von 10 MBit/s • Synchrone und asynchrone Übertragung • deterministische Übertragung der Daten • Redundanz und Fehlererkennung • FlexRay ist frei verfügbar 8 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 FLEXRAY - BUS EIGENSCHAFTEN: • • • • • • TEIL2 Unterstützung von Echtzeit-Systemen durch Einführung geeigneter Methoden der zeitlichen, deterministischen Versendung von Daten. Fehlertoleranz bei Synchronisation der globalen Uhr. Fehlertoleranz im Kommunikationskanal (skalierbare Redundanz zur Erhöhung der Verfügbarkeit). Überwachungsmaßnahmen für einen geregelten Zugriff auf das Übertragungsmedium. Unterstützung verschiedener Vernetzungs-Topologien. Flexibilität und Skalierbarkeit bei der Konfiguration 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 FLEXRAY - BUS NACHRICHTENFORMAT DATENFRAME: Checksumme Zykluszähler Längen-Feld Datenfeld 0..12Bytes Synchronisations-Feld Multiplex-Feld Identifier 9 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 FLEXRAY - BUS z.B.: TOPOLOGIE 1 (passiver Bus) Passiver Bus: • 1 Mbit/s - 3 Mbit/s • Optional redundante Kanäle • Wake-Up über den Bus • Alle Knoten: • an Fahrzeugbatterie • Power- Managment PASSIVES BUSSTEM -> vergleichbar mit CAN-BUS 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 FLEXRAY - BUS z.B.: TOPOLOGIE 2 (aktivem Stern) Activ Star: • 10 Mbit/s • Optional redundante Kanäle • Wake-Up über den Bus • Alle Knoten: • an Fahrzeugbatterie • Power- Managment Hybrid-Topologien mit Sternpunkten möglich 10 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 MOST - BUS MOST …. Media Oriented Systems Transport • erstmals mit "7er" BMW im Herbst 2001 in Serie • Optischer Bus mit Lichtwellenleitern (Plastic Optic Fibre) • Echtzeitfähig • Bis zu 24,8 Mbit/s • Synchrone und asynchrone Übertragung (14,4MBit/s bzw. 24,8MBit/s) • EMV- Resistent, keine Störsignale • Ring-, Stern- oder Kettentopologie • Fehlererkennung • MOST erlaubt Plug & Play mit bis zu 64 Knoten • Flexibilität, niedrige Kosten und Kompatibilität mit PC-Industrie • MOST ordnet jedem Knoten eine Adresse zu • Echtzeit- Audio/Video 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 MOST - BUS Die Datenautobahn im Auto Moderne und leistungsfähige Infotainmentsysteme können mit dem aus dem Automobilbau stammenden optischen Netzwerk MOST vernetzt werden Konzept für den Einsatz von MOST als Bussystem für Multimedia- und Telematikanwendungen im Automobil. 11 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 MOST - BUS MOST - ARCHITEKTUR MOST Interconnect: • Kommunikation während Initialisierungsphase • Knoten erhalten eindeutige ID (physikalische Adresse) • Synchronisation der Knoten durch kontinuierlichen Bitstream MOST Devices: • Alle Geräte in einem MOST-Netzwerk, vom Plasma- Bildschirm, Navigationssystem bis zum Hub werden zusammengefasst. MOST System Services: (beschreiben alle übrigen Funktionalitäten) NetServices: • Basic Layer System Services und Application Socket • Senden und Empfangen von Daten • Weitere Management Funktionen Low Level System Services: • Kanalzuordnung mit Kanal- IDs, Kanalfreigabe, • Systemmanagement, Remote Access 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 MOST - BUS MOST - KOMMUNIKATION 1 Frame Synchrone Daten Zuteilung: Time Division Multiplexing Länge der Daten Fehlererkennung Diagnose/Status Asynchrone Daten: Zuteilung durch Arbitrierung Synchronisierung Master/Slave 12 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 weitere BUSSYSTEME • DC – BUS • TTP (entwickelt von der TU-WIEN) • FIREWIRE • USB • BLUETOOTH • Byteflight • TTTech - Time Triggered Technology • D2B optical (Digital Data Bus) • Ethernet • I²C •… 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 DANKE FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT ! 13 010101010111100110010111101010101010010101010101010101001010101010011111001011011011101010111010110011010111010101111110011001011110101010101 111010101011101010100101011101001111100101111110111010101110101100110110100101111010010101010101010101011010101010101010111010101011101101011 Literatur Spezifikationen / Dokumente / Fachzeitschriften BUSSYSTEME: BOSCH's Controller Area Network CAN in Automation CAN Beschreibung/TU-München Warwick Control Technologies: Introduction to CAN FlexRay Group MOST Cooperation Byteflight LIN TTTech - Time Triggered Technology TTA-Group Vector Informatik CANalyzer Weitere Literatur: ELEKTRONIKNET LIN - Die Technologie FlexRay - ein Kommunikationssystem für das Automobil der Zukunft Opto-Daten übertragung mit MOST Fachzeitschrift: Elektronik Automotive 4/2004, 5/2004, 6/2004 Fachzeitschrift: Design & Elektronik Fachzeitschrift: Markt & Technik 14
