CAN (Controller Area
Network)
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Zusammenfassung:
Der CAN-Bus ist ein asynchrones, serielles Feldbussystem für die
Vernetzung von Steuergeräten, Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu
anderen Netzwerkprotokollen adressiert CAN nicht die Teilnehmer
(Steuergeräte) sondern die übermittelte Nachricht. Kurz: Die Nachricht
enthält die Information, von wem Sie gesendet wurde und die Teilnehmer
entscheiden, ob sie die Nachricht verwenden. Hierfür ist der CAN-Bus
als Multi-Master-Topologie (Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt)
ausgelegt, bei welcher der Buszugriff über das CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access / Collision Avoidance) Verfahren geregelt ist.
Bus-Zugriffs-Kollisionen werden durch Bit-Arbitierung vermieden. Die
Daten sind NRZ-L kodiert. Zusätzliche ist eine zyklische
Redundanzprüfung via. CRC im Einsatz. |
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Summary:
The CAN bus is an asynchronous, serial field bus system for
networking control units, sensors and actuators. Unlike other network
protocols, CAN does not address the bus nodes (control units) but the
transmitted message. In short: The message contains the information who
has sent it and the bus nodes decide whether they use the message or
not. For this purpose, the CAN bus has been designed as a multi-master
topology (all nodes have equal access) where the bus access is
regulated by the CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision
Avoidance) procedure. Bus access collisions are avoided by using
bit-by-bit arbitration. The data is NRZ-L coded. An additional cyclic
redundancy check is performed via CRC.
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CAN -
Grundlagen Netzwerke:
CAN ist ein örtlich begrenztes System, das zur Familie der LAN (Local
Area Network) - Netze gehört. Es untersteht somit dem OSI
Netzwerkmodell. Das OSI Netzwerkmodell definiert sieben Schichten
(Layer).
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CAN
basics - networks:
CAN is a locally restricted system that belongs to the family of the
LAN (Local Area Network) networks. Thus it conforms to the OSI network
model. The OSI network model defines seven layers.
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Layer |
Description |
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Application (7) |
Application layer / processing layer, the functionality of the
network is provided to the user in this layer. For example: e-mail
in the Internet (Ethernet) |
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Presentation (6) |
Presentation layer, the system-dependent data (data in the
transmission control unit) is changed to a system-independent
representation that corresponds to the CAN protocol. This also
includes data compression and encoding. In short: The data of
the transmission control unit is translated into the "CAN
language". |
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Session (5) |
Session layer, communication between the control units in the
vehicle is controlled here. |
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Transport (4) |
Transport layer that is responsible for segmenting data
packages and avoiding data backup on the CAN bus. |
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Network (3) |
Network layer that is responsible for routing the data packages
on the BUS. (The data streams are routed from the sending to
the receiving stations. Can be compared to transferring a phone
call from one extension to another.) |
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Data Link (2) |
Safety
layer where data is split into bit data streams and provided
with checksums. (encoding of the data) |
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Physical (1) |
Bit
transfer layer, this is the cabling. (copper cable / optical
cable) |
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CAN
Übertragungssysteme:
Der CAN-Bus wird in Fahrzeugen als linearer Bus verwendet. Topologien
in Ring- oder Sternanordnung sind nicht erlaubt. Als Bus-Medium ist
eine verdrillte oder geschirmte Zweidraht-Kupferleitung (CAN-H und
CAN-L), die an beiden Enden mit einem 120 ?
Widerstand abgeschlossen ist, vorgesehen. Diese Abschlusswiderstände
werden zwingend benötigt, da ansonsten die CAN-Signal von einem offenen
oder falsch abgeschlossenen Leitungs-Ende reflektiert werden könne und
auf der Leitung zurücklaufen. Diese Reflektionen überlagern die
eigentlich auf dem CAN-Bus vorhandenen Signale, wodurch diese für die
Netzknoten unlesbar werden.
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CAN
transmission systems: The CAN bus in vehicles is used as a
linear bus. Ring or star topologies are not allowed. The bus medium is
a twisted or shielded two-wire copper line (CAN-H and CAN-L) that is
terminated with a 120 ? resistor. These
terminating resistors are inevitable because otherwise the CAN signal
could be reflected from an open or wrongly connected line end and
return in the same line. These reflections overlay the signals that are
actually provided on the CAN bus, thus causing the system nodes to
become illegible.
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System node |
It consists of a micro-controller, a CAN controller and a bus driver. |
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Micro-controller |
Controls the CAN controller and processes transmission and receive data. |
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CAN controller |
Implements the transmission and receive operations via the CAN bus. |
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Bus driver |
Sending or receiving the bus level. |
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Bus line |
Two-wire line (twisted or shielded) |
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Bus terminator |
Resistors to avoid reflections. (inevitable) |
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CAN
Bus-Pegel:
Das CAN-Signal ist ein digitales Signal (nur zwei Zustände "rezessiv =
1" und "dominant = 0"), das für +24V Fahrzeuge im Bereich von -3 V bis
+32V Kurzschlussfest ist. Der rezessive Pegel ist für beide Leitungen
mit 2.5V definiert, der dominante Pegel mit 3.5V (3V bis 5V) für CAN-H
und 1.5V (max. 2V) für CAN-L. Für die Erkennung eins Zustandswechsels
ist die Differenz zwischen CAN-H und CAN-L entscheidend. Die
Differenzspannung zwischen CAN-H und CAN-L ist mit 2V ( 1.6V - 5V) für
einen dominanten Pegel und 0V (-1V - 0.5V) für einen rezessiven Pegel
definiert.
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CAN bus
level:
The CAN signal is a digital signal (two conditions only "recessive = 1"
and "dominant = 0") that is short-circuit proof for +24V vehicles in a
range from -3 V to +32 V. The recessive level has been defined with 2.5
V for both lines, the dominant level with 3.5 V (3 V to 5 V) for CAN-H
and 1.5 V (max. 2 V) for CAN-L. The difference between CAN-H and CAN-L
is decisive for detecting a change in the condition. The voltage
difference between CAN-H and CAN-L has been defined with 2 V (1.6 V - 5
V) for a dominant level and with 0 V (-1 V - 0.5 V) for a recessive
level.
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CAN
Aubau eines Datenprotokolls:
Ein vollständiges Datenpakte (Datensatz) auf dem CAN-Bus besteht
sieben Feldern.
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CAN
structure of a data protocol:
A complete data package (dataset) on the CAN bus consists of seven
fields. |
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| Start Frame |
The start frame marks the beginning of a
message and synchronizes all stations. |
| Arbitration Field |
The arbitration field consists of a
message identifier (11 bits) and one check bit. During
transmission of this field, the sending station checks for each
bit, whether it is still authorized to send, or whether another
station with higher priority is sending. The check bit decides
whether the message is a data frame or a remote frame. |
| Check Field |
The check field contains the code for
the number of data bytes in the data field. |
| Data Field |
The data field transmits information for
other stations. The information content is between 0 and 8
bytes (1 byte = 8 bits), max. 64 bits. |
| CRC Field |
The CRC field detects transmission
faults. |
| Acknowledgement Field |
With the acknowledgement field, the
recipient signals to the sender that it has received the
message correctly. If a fault is detected, the sending station
will be notified immediately. The sender will then resend the
data. |
| End of Frame |
The end of frame marks the end of the
message. This is the last chance to report faults. |
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Das CAN Protokoll SAE J1939
definiert zusätzlich noch ein erweitertes Statusfeld von 11 Bit (Base
frame format)- auf 19 Bit (Extended frame format) - Identifizierung.
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The SAE J1939 CAN protocol
additionally defines another arbitration field from 11 bits (base frame
format) - to 19 bits (extended frame format) - identification.
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Statusfeld - Objektidentifier:
Der Objektidentifier kennzeichnet den Inhalt einer Nachricht. Die
Empfänger entscheiden anhat dieses Identifiers, ob die Nachricht für
sie relevant ist, oder verworfen wird. Zusätzlich dient der
Objektidentifier für die Priorisierung und Arbitierung der Nachrichten.
CAN ist ein Multi-Master Bussystem. Durch Arbitierung und
Priorisierung wird das Senderecht auf den Bus geregelt.
Arbitierungsprinzip:
Die Belegung des CAN-Busses erfolgt durch Aufschalten eines
dominanten Bits (SOF). Anschließend werden die Bits des Identifiers
nacheinander auf den Bus gelegt und mit dem tatsächlich vorhandenen
Buspegel verglichen. Tritt während der Arbitierung ein Unterschied
auf (rezessiv gesendet - dominat erkannt), zieht sich der Sender
des rezessiven Pegels vom Bus zurück und schaltet unmittelbar in
den Empfangsmodus. Der erkannte dominante Buspegel erfolgte durch
einen Sender mit höherer Priorität.
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Arbitration field - object identifier:
The object identifier designates the contents of a message. On the
basis of this identifier, the recipients decide whether the message is
relevant to them or if it is discarded. This identifier is also used
for priorization and arbitration of the messages.
CAN is a multi-master bus system. Arbitration and priorization
regulate the transmission rights to the bus.
Arbitration principle:
The bus load is started by transmitting a dominant bit (SOF).
The bits of the identifier are then transmitted to the bus one
after another and compared to the actually provided bus level. If a
difference is detected during arbitration (recessive sent -
dominant detected), the sender of the recessive level will withdraw
from the bus and switches to the reception mode immediately. The
dominant bus level that was detected was received from a sender
with higher priority.
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