Gebäudesystemtechnik
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Elektrotechnik
Controller Area Network - Grundlagen und Entwicklung
ep8/2004, 2 Seiten
Entwicklung der CAN-basierten Netzwerke Das CAN-Protokoll entspricht im übertragenen Sinne den Buchstaben in der menschlichen Kommunikation. Die CAN-Controller sind somit vergleichbar mit einem Drucker oder einer Schreibmaschine. Der CAN-Anwender muss allerdings noch eine Sprache (Grammatik), sowie Worte (Vokabeln) definieren (Bild ). In den Kindertagen von CAN entwarfen die Systementwickler monolithische Softwarelösungen, die sowohl Anwendungs- als auch höhere Kommunikationsfunktionen umfassten. So ließen sich schnell und kostengünstig CAN-basierende Netzwerke realisieren. Für jede Anwendung wurde eine spezifische Softwarelösung entwickelt. Das erste Auto mit einem serienmäßigen CAN-Netzwerk verließ 1992 die Fließbänder: Die S-Klasse von Mercedes verfügte über ein CAN-vernetztes Motormanagement. Die in der Industrieautomation oft als Begründung genannte Einsparung von Kabeln spielte keine wesentliche Rolle. Als CAN auch zur Vernetzung der Karosserie-Elektronik verwendet wurde, waren die Gewichtseinsparung und die Reduzierung von Steckern jedoch wichtige Argumente. Schon damals implementierten die Autobauer aus Schwaben zwei CAN-Netzwerke: eines für den Antriebsstrang und eines für den Komfortbereich. Beide Netzwerke sind über Gateways miteinander verbunden, sodass die in einem Netzwerk produzierten Daten auch in dem anderen genutzt werden können. Die selbstentwickelten, monolithischen Softwarelösungen waren für Anwendungen mit hohen Stückzahlen oder sehr einfache Vernetzungsaufgaben durchaus praktikabel. Doch schon Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre begannen Wissenschaftler und Ingenieure mit der Entwicklung von geschichteten, modularen Kommunikationssystemen für CAN-basierende Netzwerke. Bei Philips Medizinsysteme entstand die Philips Message Specification (PMS), die als Grundlage für das erste standardisierte höhere Protokoll, den CAN Application Layer (CAL), diente. Aber auch diese dem OSI-Referenz-Modell entsprechende Anwendungsschicht war nur ein notwendiger Zwischenschritt zu einem praxisgerechten höheren Protokoll für CAN-basierende Netzwerke. Parallel entstanden in den USA die höheren Protokolle Smart Distributed System (Honeywell Microswitch) und Device Net (Rockwell Automation). Sie hatten die gleichen Ursprünge und waren für den Anlagenbau konzipiert worden. Beide Protokolle zeichneten sich durch eine hohe „off-the-shelf-plugand-play“-Fähigkeit („einstecken und funktionieren ab Lager“) aus. Marktpolitisch gewann Device Net den Konkurrenzkampf, vor allem weil die Spezifikation frühzeitig einem unabhängigen Konsortium, der ODVA (Open Device Net Vendor Association), übergeben wurde. Heute ist Device Net das bedeutendste Geräte-Netzwerk im amerikanischen Anlagenbau und versucht nun auch in Europa Fuß zu fassen. Ein anwendungsunabhängiges höheres Protokoll für eingebettete CAN-Netzwerke standardisierte die 1992 gegründete internationale Anwender- und Hersteller-Vereinigung CAN in Automation (CiA). Basierend auf den Vorarbeiten eines Esprit-Forschungsprojektes stellte sie 1995 die CANopen-Profil-Familie vor. In den USA entwickelte man dann im Rahmen der Society of Automotiv Engineers (SAE) das CAN-basierende Anwendungsprofil J1939. Dieses Protokoll benötigt zwar nur einen geringen Konfigurationsaufwand, ist dafür aber recht unflexibel. In Deutschland entstand im Rahmen der Landmaschinen und Ackerschleppervereinigung (LAV) das CAN-basierende landwirtschaftliche Bus-System (LBS). Es wurde inzwischen von einer J1939-basierenden Lösung abgelöst, der internationalen Norm für land- und forstwirtschaftliche Fahrzeuge ISO 11783 (Bild ). Auch in der Nutzfahrzeugtechnik steht die Standardisierung der CAN-Kommunikation auf der Tagesordnung. Die Verbindung zwischen Zugmaschine und Anhänger ist bereits international genormt (ISO 11992). Dieses auf J1939-basierende Protokoll ist ab 2006 in Europa vorgeschrieben. Bei den Personenkraftwagen gibt es einen Trend zu OSEK-COM und OSEK-NM, einem Kommunikationsprotokoll und einem Netzwerk-Management - beide sind zur internationalen Normung eingereicht. Allerdings setzen die Autobauer bisher weiterhin auf ihre proprietären Softwarelösungen. Zur CAN-Reifeprüfung gehört aber nicht nur die Standardisierung der eigentlichen Anwendungsschicht (Application Layer), sondern auch die Spezifikation von Geräte-, Schnittstellen- und Anwendungsprofilen. Darüber hinaus sind eventuell Definitionen für programmierbare Geräte sowie die Einstellung von Baudraten und Gerätenummern über das CAN-Netzwerk wünschenswert. Sowohl CANopen als auch Device Net bieten hierfür teilweise Lösungen. Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 8 642 FÜR DIE PRAXIS Bustechnik Controller Area Network - Grundlagen und Entwicklung M. Taylor, Erlangen CAN (Controller Area Network) ist ein serielles Bussystem, das ursprünglich für Anwendungen im Auto Anfang der 80er Jahre entwickelt wurde. Das seit 1993 international genormte CAN-Protokoll (ISO 11898-1) entspricht der Verbindungsschicht (Data Link Layer) im 7-schichtigen ISO/OSI-Referenzmodell (Bild ). CAN stellt dem Anwender eigentlich nur zwei Kommunikationsdienste zur Verfügung: das Senden und das Anfordern einer Nachricht. Alle anderen Funktionen, z. B. Fehlersignalisierung, automatisches Wiederholen von fehlerhaften Nachrichten, führt die CAN-Hardware automatisch aus. Schichten Implementierung AL-based Application Profile AL-based Device Profile CAN-based Application Layer CAN Data Link Layer CAN Physical Layer Software Software Software CAN Cotroller Transceiver OSI-Schichten Kurzgeschichte Vokabeln und vordefinierte Sätze Grammatik Buchstaben Stift und Papier Schichten-Modell und CAN-Implementierung Autor Monika Taylor ist Mitarbeiterin der Anwender- und Hersteller-Vereinigung „CAN in Automation e. V.“ (CiA), Erlangen. Ereignis- und zeitgesteuerte Kommunikation In der Vergangenheit wurde in CAN-Netzwerken nur ereignisgesteuert kommuniziert. Der implementierte Bus-Zuteilungs-Mechanismus stellte sicher, dass alle Nachrichten entsprechend ihrer Priorität übertragen wurden und die Nachricht mit höchster Priorität ohne Verzögerung den Bus-Zugriff erhielt. In einigen zukünftigen sicherheitskritischen Anwendungen ist jedoch ein deterministisches Verhalten mehrerer Nachrichten gefordert. Sogar bei maximaler Bus-Last muss die Übertragung aller sicherheitsrelevanten Nachrichten garantiert sein. Überdies muss gewährleistet sein, den Zeitpunkt der Nachrichtenübertragung mit hoher Genauigkeit festzulegen. Die Sitzungsschicht für zeitgesteuerte Kommunikation in CAN-Netzwerken (ISO 11898-4) basiert auf einer periodischen Übertragung einer Referenznachricht durch einen Zeitgeber. Basierend auf einer globalen Netzwerkzeit werden die Nachrichten Zeitfenstern eines Basiszyklus' zugeordnet. Der große Vorteil von TTCAN, verglichen mit klassischen zeitgesteuerten Systemen, ist die Möglichkeit, ereignisgesteuerte Nachrichten in spezifischen Zeitfenstern zu übertragen. Dies erlaubt nicht nur einen Übergang von existierenden CAN-Netzwerken, sondern auch die Vorteile beider Trigger-Methoden im gleichen physikalischen Netzwerk zu nutzen. In Anwendungen, in denen eine sehr genaue globale Zeit gefordert ist, kann die Referenznachricht eine optional extern synchronisierte Globalzeit enthalten. Mit TTCAN lässt sich insbesondere die Echtzeit-Performance erheblich verbessern, so dass CAN noch weitere 10 bis 15 Jahre mit signifikanten Zuwächsen rechnen kann. In allen Anwendungen, in denen mehr als zwei Mikrocontroller miteinander kommunizieren sollen, ist CAN eine Option. Ausgenommen sind Systeme, die über eine größere Entfernung sehr hohe Baudraten fordern: Bei 25 bis 30 Metern erreicht man eine Transferleistung von einem Megabit pro Sekunde; bei einem Kilometer (ohne Repeater) sind es immerhin noch 50 Kilobit pro Sekunde. Höheres Protokoll: CANopen Die ersten CANopen-Netzwerke wurden zur maschinen-internen Kommunikation verwendet, insbesondere zur Vernetzung von Antrieben. CANopen zeichnet sich vor allem durch eine sehr hohe Flexibilität und Konfigurierbarkeit aus. Das in sehr unterschiedlichen Anwendungsfeldern (Industrieautomation, Medizintechnik, Eisenbahnen, Nutzfahrzeugen, Schifffahrt, Militärfahrzeugen usw.) eingesetzte Protokoll wurde inzwischen auf europäischer Ebene genormt (EN 50325-4). CANopen ist vor allem in Europa verbreitet: Kunststoffspritzmaschinen in Italien, Holzbearbeitungsmaschinen in Deutschland, Zigarettenherstellmaschinen in Großbritannien, Kräne in Frankreich, Handhabungssysteme in Österreich und Uhrenherstellmaschinen in der Schweiz - um nur einige Beispiele aus dem Maschinenbau zu nennen. In den USA wird CANopen derzeit für Gabelstapler empfohlen und ist beispielsweise in Briefsortiermaschinen im Einsatz. Um all diesen Anwendungen gerecht zu werden, bietet das CANopen-Protokoll dem Systemintegrator viele Freiheitsgrade. Andererseits ist ein optimiertes Systemdesign sehr komplex und ohne ausreichende Erfahrungen kaum erfolgreich zu bewältigen. Oder man verwendet leistungsfähige Konfigurationstools, die entsprechende Optimierungsalgorithmen implementiert haben. Selbstverständlich bieten auch für CAN-open mehrere Firmen Quellcode, Bibliotheken und Softwarepakete an. Bei CANopen ist die Definition von Kabeln und Steckern weitgehend dem Anwender überlassen. CANopen umfasst nicht nur eine standardisierte Anwendungsschicht mit Objekten für die Übertragung von Prozessdaten (PDO) und Konfigurationsdaten (SDO), sondern auch diverse Geräteprofile, die einen Teil der Funktionalität standardisieren, sodass eine zumindest teilweise Austauschbarkeit von Geräten verschiedener Hersteller möglich ist. Für CANopen sind elektronische Datenblätter spezifiziert, sodass die Gerätebeschreibungen nicht von Hand in Konfigurationstools einzutragen sind. In der menschlichen Kommunikation entsprechen die in den Geräteprofilen definierten Anwendungsobjekte den in den Wörterbüchern beschriebenen Vokabeln. Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 8 643 Bustechnik FÜR DIE PRAXIS Das CAN-basierende landwirtschaftliche Bus-System (LBS) wurde inzwischen von einer J1939-basierenden Lösung abgelöst, der internationalen Norm für land-und forstwirtschaftliche Fahrzeuge ISO 11783
Autor
- M. Taylor
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