Diese Arbeit untersucht die spezifische Anwendung des CAN-Busses in Automobilen und implementiert ein CAN-Knoten-Design mit dem 16-Bit-Mikrocontroller MC9S12DP256 von Motorola als Kern. Basierend auf den unterschiedlichen CAN-Netzwerkgeschwindigkeiten im Fahrzeug wird das Hardware- und Software-Design des Gateways für die Kommunikation zwischen Netzwerken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorgestellt. Dieses System zeichnet sich durch eine einfache Struktur und hohe Zuverlässigkeit aus und bietet breite Anwendungsmöglichkeiten. 0. Einleitung: Mit der zunehmenden Anzahl elektrischer Geräte in Automobilen – von der Motorsteuerung über die Getriebesteuerung, die Steuerung von Fahr-, Brems- und Lenksystemen bis hin zu Sicherheits- und Instrumentenwarnsystemen, vom Energiemanagement bis hin zu verschiedenen Maßnahmen zur Komfortverbesserung – hat sich das elektrische System von Automobilen zu einem komplexen Großsystem entwickelt, das sich vollständig im Fahrerhaus konzentriert. Darüber hinaus sind mit der Entwicklung intelligenter Verkehrssysteme (ITS) in den letzten Jahren und dem Aufkommen neuer elektronischer Kommunikationsprodukte wie 3G (GPS, GIS und GSM) höhere Anforderungen an die integrierte Verkabelung sowie den Informationsaustausch und die Interaktion in Automobilen gestellt worden. Aus Sicht der Verkabelung nutzen traditionelle elektrische Systeme meist eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit geringer Vernetzung, was zwangsläufig ein umfangreiches Kabelsystem erfordert. Statistiken zeigen, dass in einem Oberklassewagen mit herkömmlicher Verkabelung die Kabellänge bis zu 2.000 Meter betragen kann, bei 1.500 elektrischen Knotenpunkten. Diese Zahl verdoppelt sich zudem etwa alle zehn Jahre, wodurch der Konflikt zwischen den sperrigen Kabelbäumen und dem begrenzten Platz im Fahrzeug verschärft wird. Sowohl hinsichtlich Materialkosten als auch Effizienz sind traditionelle Verkabelungsmethoden für die Weiterentwicklung von Automobilen nicht mehr geeignet. Im Hinblick auf den Informationsaustausch umfassen typische moderne Steuergeräte elektronische Kraftstoffeinspritzsysteme, elektronische Getriebe, Antiblockiersysteme (ABS), Antischlupfregelungssysteme (ASR), Abgasrückführungsregelung, Geschwindigkeitsregelanlage und Klimaanlage. Um die Echtzeitanforderungen der einzelnen Subsysteme zu erfüllen, ist der Austausch gemeinsamer Fahrzeugdaten wie Motordrehzahl, Raddrehzahl und Gaspedalstellung erforderlich. Die Echtzeitanforderungen der einzelnen Steuergeräte variieren jedoch je nach Datenaktualisierungsrate und Regelzyklus. Dies erfordert ein Datenaustauschnetzwerk mit Prioritätsprinzip und hoher Kommunikationsrate. Der CAN-Bus wurde entwickelt, um diese Anforderungen zu erfüllen. 1. Einführung in CAN: Um die zahlreichen Steuerungs- und Datenaustauschprobleme in modernen Fahrzeugen zu lösen, entwickelte das deutsche Unternehmen Bosch die CAN-Feldbus-Kommunikationsstruktur (Controller Area Network). Der CAN-Bus zeichnet sich durch einfache Hardwareverbindungen aus und bietet hohe Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit und ein wettbewerbsfähiges Preis-Leistungs-Verhältnis. Erfüllt die Anforderungen der modernen Automatisierungskommunikation, hat sich der CAN-Bus zu einer der wichtigsten Technologien im Bereich der industriellen Datenbuskommunikation entwickelt. Seine Hauptmerkmale sind: ① Der CAN-Bus ist ein Multi-Master-Bus, in dem jeder Knoten jederzeit aktiv Informationen an andere Knoten im Netzwerk senden kann, ohne Master-Slave-Unterscheidung, was eine flexible Kommunikation gewährleistet; ② Der CAN-Bus verwendet eine einzigartige, nicht-destruktive Bus-Arbitrierungstechnologie, bei der Knoten mit höherer Priorität Daten zuerst senden und so die Echtzeitanforderungen erfüllen. ③ Der CAN-Bus ermöglicht Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt- und globale Broadcast-Datenübertragung. ④ Jeder Frame im CAN-Bus enthält maximal 8 gültige Bytes. CRC-Prüfverfahren und weitere Verifizierungsmaßnahmen führen zu einer extrem niedrigen Fehlerrate. Bei einem schwerwiegenden Fehler kann sich ein Knoten automatisch vom Bus trennen, ohne andere Vorgänge zu beeinträchtigen. ⑤ Der CAN-Bus benötigt nur zwei Leitungen, was eine einfache Systemerweiterung und flexible Anpassung ermöglicht. ⑥ Der CAN-Bus bietet eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit mit einer maximalen Rate von 1 Mbit/s bei einer Übertragungsdistanz von unter 40 m. ⑦ Die Anzahl der Knoten im CAN-Bus hängt hauptsächlich von der Bustreiberschaltung ab. Im CAN-2.0B-Standard ist die Anzahl der Nachrichtenbezeichner nahezu unbegrenzt. Zusammenfassend bietet der CAN-Bus Vorteile wie hohe Echtzeitfähigkeit, hohe Zuverlässigkeit, schnelle Kommunikationsgeschwindigkeit, einfache Struktur, gute Interoperabilität, einen robusten Fehlerbehandlungsmechanismus im Busprotokoll, hohe Flexibilität und geringe Kosten. 2. Gesamtkonzept 2.1 CAN-Netzwerkdesign im Fahrzeug Die unübertroffenen Vorteile des CAN-Busses machen ihn zum idealen Bus für die Steuerungssysteme von Elektrofahrzeugen. Typische elektronische Steuergeräte in modernen Automobilen umfassen das Hauptsteuergerät, das Motorsteuergerät, das Fahrwerksregelsystem, das Antiblockiersystem (ABS), das Traktionskontrollsystem, das ASR-Regelsystem, das Instrumentenmanagementsystem, das Fehlerdiagnosesystem, die Zentralverriegelung, das Sitzverstellsystem und das Scheinwerfersteuerungssystem. Alle diese Teilsysteme sind zu einem Echtzeit-Steuerungssystem verbunden – nach dem Auslösen eines Befehls muss innerhalb einer bestimmten Zeit eine Reaktion erfolgen; andernfalls kann es zu einem schweren Unfall kommen. Dies erfordert eine hohe Baudrate für das CAN-Kommunikationsnetzwerk im Fahrzeug. Darüber hinaus müssen im Betrieb zahlreiche Knoten große Mengen an Echtzeitdaten austauschen. Wenn alle Knoten im Fahrzeug an ein einziges CAN-Netzwerk angeschlossen sind und zahlreiche Knoten über einen einzigen CAN-Bus kommunizieren, kann eine fehlerhafte Konfiguration des Informationsmanagements leicht zu einer Überlastung des Busses und damit zu einer Verringerung der Echtzeit-Reaktionsgeschwindigkeit des Systems führen. Dies ist in Echtzeitsystemen nicht zulässig. Daher wurden nach Analyse der Echtzeitanforderungen jedes einzelnen Knotens im Fahrzeug drei CAN-Kommunikationsnetzwerke mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (hoch, mittel und niedrig) entwickelt. Knoten mit strengen Echtzeitanforderungen bildeten ein Hochgeschwindigkeits-CAN-Kommunikationsnetzwerk, Knoten mit geringeren Anforderungen ein Mittelgeschwindigkeits-CAN-Kommunikationsnetzwerk und die übrigen Knoten mit weniger strengen Anforderungen ein Niedriggeschwindigkeits-CAN-Kommunikationsnetzwerk. Ein Gateway wurde installiert, um diese drei Kommunikationsnetzwerke mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu verbinden und so den Datenaustausch zwischen allen Knoten zu ermöglichen. Die Gesamttopologie des CAN-Kommunikationsnetzwerks des Fahrzeugs ist in Abbildung 1 dargestellt. Motorsteuerung, Fahrwerksregelung, Antiblockiersystem (ABS), Traktionskontrolle und ASR-Regelung sind die Kernkomponenten des Fahrzeugbetriebs und unterliegen strengen Anforderungen an die Reaktionszeit. Daher sind diese fünf Knoten in einem Hochgeschwindigkeits-CAN-Kommunikationsnetzwerk mit einer Baudrate von 500 bps zusammengefasst. Das Instrumentenmanagementsystem, das Fehlerdiagnosesystem usw. haben vergleichsweise geringere Echtzeitanforderungen und bilden daher ein Mittelgeschwindigkeits-CAN-Kommunikationsnetzwerk mit einer Baudrate von 128 bps. Zentralverriegelung, Sitzverstellung und Scheinwerfersteuerung benötigen keine strengen Echtzeitanforderungen und bilden ein Niedriggeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerk mit einer Baudrate von 30 bps. Zwei Gateways verbinden die Hoch-, Mittel- und Niedriggeschwindigkeitsbusse und tauschen Daten mit jedem Knoten aus. Die Gateways verarbeiten die zwischen den CAN-Bussen zu übertragenden Daten intelligent und stellen so sicher, dass nur bestimmte Informationstypen über das Netzwerk übertragen werden. 2.2 Komponentenauswahl Das interne CAN-Netzwerk im Automobilbereich besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: CAN-Knoten, die mit dem Steuergerät (ECU) verbunden sind, und Gateways, die den Datenaustausch im Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsnetzwerk sowie das Netzwerkmanagement ermöglichen. Um den Entwicklungszyklus zu verkürzen, wurde der MC9S12DP256 von Motorola, ein Mikroprozessor der Mittelklasse mit CAN-Modul, ausgewählt. Der CAN-Transceiver und die Stromversorgung basieren auf dem MC33989. Der Mikrocontroller MC9S12DP256 ist ein Chip der Mittelklasse unter den leistungsstarken 5,0-V-Flash-Speicherprodukten mit hoher Geschwindigkeit. Er basiert auf einer 16-Bit-HCS12-CPU und 0,25-µm-Mikroelektroniktechnologie. Sein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis macht ihn ideal für den Einsatz in elektronischen Steuerungssystemen der Mittel- und Oberklasse im Automobilbereich. Sein einfaches Hintergrundentwicklungsmodell (BDM) senkt die Entwicklungskosten zusätzlich und vereinfacht die Feldentwicklung und Systemaktualisierungen. Der MC9S12DP256 hat eine Taktfrequenz von bis zu 25 MHz. Der Mikrocontroller integriert zahlreiche Standardmodule auf einem Chip, darunter zwei asynchrone serielle Schnittstellen (SCI), drei synchrone serielle Schnittstellen (SPI), einen 8-Kanal-Input-Capture/Output-Compare-Timer, zwei 10-Bit-8-Kanal-A/D-Wandler, ein 8-Kanal-Pulsweitenmodulationsmodul, 49 unabhängige digitale I/O-Ports (davon 20 mit externen Interrupt- und Wake-up-Funktionen), fünf CAN-Module, die mit dem CAN2.0A/B-Protokoll kompatibel sind, und ein internes IC-Busmodul. Er verfügt außerdem über 256 KB Flash-EEPROM, 12 KB RAM und 4 KB EEPROM. Diese umfangreichen internen und externen Schnittstellenressourcen ermöglichen die Verarbeitung, Übertragung und den Empfang verschiedenster Steuergerätedaten. Dank der zahlreichen CAN-Module eignet er sich hervorragend als Gateway zwischen Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsnetzwerken. Der Motorola System-on-a-Chip (SBC) MC33989 besitzt zwei Gleichrichter zur Stromversorgung des Mikrocontrollers und der Peripheriegeräte. Dieses intelligente Halbleiterbauelement liefert alle erforderlichen Systemspannungen. Ein interner, rauscharmer 200-mA-Gleichrichter versorgt das MCU-Subsystem. Zusätzlich steuert ein Bauelement einen externen Ein-/Ausschalter zur Stromversorgung von Peripheriegeräten. Dieser externe Ein-/Ausschalter ermöglicht die Anpassung der sekundären Stromversorgung an die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Leistungsaufnahmegrenzen. Die sekundäre Stromversorgung kann bei Bedarf auch die Stromzufuhr zu ausgewählten Peripheriegeräten unterbrechen und so den Stromverbrauch reduzieren. Neben der Systemstromversorgung integriert der SBC einen 1-Mbit/s-CAN-Transceiver. Dieser Transceiver verfügt über eine Master-Control-Timeout-Erkennung, einen internen Überhitzungsschutz und einen Kurzschlussschutz für die CAN-H- und CAN-L-Eingänge. Der interne Schutz für die CAN-H- und CAN-L-Eingänge umfasst einen Auslöseschutz, einen Verpolungsschutz und einen Kurzschlussschutz gegen Plus oder Masse. Vier Hochspannungs-Wake-up-Eingänge gewährleisten zuverlässige Wake-up-Funktionen. Diese Wake-up-Eingänge haben eine maximale Spannungsfestigkeit von 40 V. Pull-up-Widerstände für die Eingänge können auf dem Chip generiert werden. Da lediglich ein Pull-up-Widerstand zur Erkennung von Änderungen am Schalteingang benötigt wird, lässt sich der Stromverbrauch deutlich reduzieren. Das Gerät verfügt außerdem über eine periodische Weckfunktion. Zusätzlich bietet der SBC Funktionen zur Reset-Anpassung und Unterspannungserkennung für den Mikrocontroller. 2.3 Hardware-Schaltungsdesign des CAN-Knotens Zur Vereinfachung von Debugging und Demonstration ist jedes Knotenmodul mit einer CAN-Schnittstelle, einer RS232-Schnittstelle und einem LCD-Display ausgestattet. Während des Debuggings zeigt das LCD-Display lokale Daten und über den CAN-Bus empfangene Daten an. Die RS232-Schnittstelle ermöglicht bei Bedarf die Kommunikation mit einem PC. Kernstück des Knotens ist der Mikroprozessor MC9S12DP256, der hauptsächlich für die CAN-Initialisierung, die Datenverarbeitung und die Überwachung der Datenübertragung zuständig ist. In Abbildung 2 stellt der MC33989 die Schnittstelle zwischen dem CAN-Controller und dem physikalischen Bus dar. Dieses Bauteil ermöglicht differentielles Senden und Empfangen von Daten auf dem Bus, schützt den Bus vor kurzzeitigen Störungen im Fahrzeugumfeld und versorgt den Mikrocontroller sowie Peripheriegeräte mit Strom. Das Blockdiagramm des CAN-Knotens ist in Abbildung 2 dargestellt. 2.4 Hardware-Schaltungsdesign des CAN-Gateways Die Hauptfunktion des Gateways besteht in der Koordination des Datenaustauschs zwischen verschiedenen Netzwerken und der Abwicklung der Kommunikation zwischen den Knoten. Seine Hardwarestruktur ist der eines CAN-Knotens sehr ähnlich. Da es für den Datenaustausch zwischen Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsnetzwerken zuständig ist, muss es gleichzeitig mit beiden Netzwerken verbunden sein. Das Hardware-Blockdiagramm des CAN-Bus-Gateways ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Mikroprozessor MC9S12DP256 verfügt über fünf CAN-Module; zwei davon werden hier verwendet: Eines verbindet sich über MC33989 mit dem Niedriggeschwindigkeitsnetzwerk, um die Kommunikation mit diesem zu ermöglichen; das andere verbindet sich über MC33989 mit dem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, um die Kommunikation zwischen Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsnetzwerk zu ermöglichen und das Netzwerk zu verwalten. 2.5 Software-Design des CAN-Netzwerkkommunikationssystems Die für dieses Design erforderlichen Funktionen umfassen das Senden und Empfangen von Daten durch jeden Knoten, die Datenkonvertierung durch das Gateway und die Ermöglichung der Kommunikation zwischen Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsnetzwerken. Im Experiment wird von zwei Netzwerken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgegangen: einem Netzwerk mit niedriger Geschwindigkeit und einer Datenaktualisierungsrate von 10 ms sowie einem Netzwerk mit hoher Geschwindigkeit und einer Datenaktualisierungsrate von 5 ms. Die Software wurde in KEIL C implementiert. Das Hauptprogramm übernimmt die Datenverarbeitung und -übertragung, während die Interrupt-Routine für die Datenerfassung zuständig ist. Das Hauptprogramm besteht aus drei Teilen: CAN-Bus-Datenübertragung und -empfang, Ansteuerung des LCD-Displays und Datenframe-Parsing. Datenempfang und -übertragung werden durch Interrupts gesteuert, und je nach Geschwindigkeit (hoch oder niedrig) wird alle 5 ms bzw. 10 ms ein neuer Datensatz gesendet. Der Programmablauf der Kommunikation ist in Abbildung 4 dargestellt. 3. Fazit: Um die Rolle des Steuergeräts (ECU) in der Fahrzeugsteuerung optimal zu nutzen, bietet das CAN-Kommunikationsnetzwerk die Voraussetzungen für eine globale Optimierung. Experimente haben gezeigt, dass der CAN-Bus folgende Vorteile bietet: ① Flexible Vernetzung und hohe Skalierbarkeit; ② Automatische Fehlererkennung, die die Kommunikationsvorgänge des Steuergeräts vereinfacht; ③ Priorisierung anhand des Dateninhalts, wodurch Echtzeitkommunikation gewährleistet wird. Darüber hinaus findet das CAN-Netzwerk auch in vielen industriellen Steuerungssystemen Anwendung, insbesondere in Anwendungen mit hohen Übertragungsraten und hohen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit. Daher bietet der CAN-Bus ein breites Anwendungsspektrum.