Übungsaufgaben zum CAN-Bus: Aufbau, Pegel, Arbitrierung, Telegramm, Fehlerbehandlung und Messung

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Arbitrierung, Telegramm, Fehlerbehandlung und Messung“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/can-bus
- https://oer-informatik.de/datenuebertragung
- https://oer-informatik.de/feldbusse-aktorik
- https://oer-informatik.de/oszilloskop-messungen
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/can-bus-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- CAN-Bus
- Abschlusswiderstand
- dominant
- rezessiv
- Arbitrierung
- Identifier
- Bitstuffing
- Fehlerzähler
- CAN FD
- CAN XL

Kompetenzstufe: Profilkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Kernkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: FTF mit fünf Steuergeräten, CAN mit 500\ \mathrm{kbit/s}, Basisformat; UART-Serviceschnittstelle, SPI-Lagesensor

Ges.: Vergleich UART, SPI, CAN

Je Zeile 1 Punkt:

Ges.: Anschluss der Steuergeräte, Begründung der Abschlusswiderstände

• Alle Steuergeräte hängen an einer Linie aus verdrillter Doppelader CAN_H/CAN_L; die Stichleitungen zu den Geräten sind möglichst kurz, keine Stern- oder Baumstruktur (1 Punkt).
• An den beiden Enden der Linie liegt je ein Abschlusswiderstand von 120\ \Omega zwischen CAN_H und CAN_L, in der Mitte keiner (1 Punkt).
• Begründung: Die Widerstände entsprechen dem Wellenwiderstand der Leitung und verhindern Reflexionen; außerdem ziehen sie die Adern nach einem dominanten Bit schnell auf den rezessiven Pegel zurück (1 Punkt).

Geg.: U_\mathrm{CAN\_H,1} = 3{,}62\ \mathrm{V}, U_\mathrm{CAN\_L,1} = 1{,}44\ \mathrm{V}; U_\mathrm{CAN\_H,2} = U_\mathrm{CAN\_L,2} = 2{,}48\ \mathrm{V}; Gleichtaktstörung 0{,}8\ \mathrm{V}

Ges.: Differenzspannungen, Buspegel, logischer Wert, Wirkung der Gleichtaktstörung

Grundform (je Bitzeit 1 Punkt mit Zuordnung):

U_\mathrm{diff} = U_\mathrm{CAN\_H} - U_\mathrm{CAN\_L}

U_\mathrm{diff,1} = 3{,}62\ \mathrm{V} - 1{,}44\ \mathrm{V} = \underline{\underline{2{,}18\ \mathrm{V}}}

Über 0{,}9\ \mathrm{V}: dominant, logisch 0.

U_\mathrm{diff,2} = 2{,}48\ \mathrm{V} - 2{,}48\ \mathrm{V} = \underline{\underline{0\ \mathrm{V}}}

Unter 0{,}5\ \mathrm{V}: rezessiv, logisch 1.

Gleichtaktstörung (2 Punkte): Die Störung hebt beide Adern gleich an, z. B. U_\mathrm{diff} = 4{,}42\ \mathrm{V} - 2{,}24\ \mathrm{V} = 2{,}18\ \mathrm{V}. Der Empfänger wertet nur die Differenz aus, sie bleibt unverändert; deshalb erkennt er dasselbe Bit. Die Verdrillung sorgt dafür, dass Störungen tatsächlich auf beide Adern gleich wirken.

Geg.: R_\mathrm{mess} = 121\ \Omega; Abschlusswiderstände R_1 = R_2 = 120\ \Omega

Ges.: Sollwert R_\mathrm{ges}, Beurteilung

Beide Abschlüsse liegen parallel (2 Punkte):

R_\mathrm{ges} = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2} = \frac{120\ \Omega \cdot 120\ \Omega}{120\ \Omega + 120\ \Omega} = \underline{\underline{60{,}0\ \Omega}}

Beurteilung (1 Punkt): Der Messwert entspricht etwa einem Abschlusswiderstand. Entweder fehlt ein Abschluss (z. B. nicht bestückt oder Stecker am Leitungsende nicht gesteckt) oder die Leitung ist zwischen den beiden Abschlüssen unterbrochen. Der Fehler muss vor der Inbetriebnahme behoben werden.

Ges.: Gewinner der Arbitrierung, Ausstiegsbits, Begründung

Identifier binär, höchstwertiges Bit zuerst (1 Punkt):

• Der Hubantrieb sendet bei ID8 rezessiv (1), liest aber dominant (0) und steigt aus (1 Punkt).
• Die Fahrsteuerung sendet bei ID2 rezessiv und steigt aus (1 Punkt).
• Das BMS (kleinster Identifier, höchste Priorität) gewinnt und sendet sein Telegramm vollständig.

Kein Datenverlust (1 Punkt): Bis zum Ausstieg stimmen die Bits auf dem Bus mit denen des Gewinners überein; dominant überschreibt rezessiv ohne Störung. Das Telegramm des BMS wird also nicht verfälscht, die Verlierer werden Empfänger und senden nach dem Telegramm erneut.

Geg.: 6 Datenbytes, Sendeintervall T = 10\ \mathrm{ms}, v_\mathrm{D} = 500\ \mathrm{kbit/s}; Basisformat: 44 Bit + 8 Bit je Datenbyte, IFS 3 Bit; Stuffbereich SOF bis CRC: 34 Bit + 8 Bit je Datenbyte

Ges.: Telegrammlänge n ohne und mit Stuffbits, Übertragungsdauer t, Buslast

Länge ohne Stuffbits (1 Punkt):

n_0 = 44\ \mathrm{Bit} + 6 \cdot 8\ \mathrm{Bit} + 3\ \mathrm{Bit} = \underline{\underline{95\ \mathrm{Bit}}}

Größtmögliche Zahl an Stuffbits: Der Stuffbereich umfasst 34 + 48 = 82 Bit; nach dem ersten Bit kann höchstens nach jedem vierten weiteren Bit ein Stuffbit folgen (1 Punkt):

n_\mathrm{S} = \frac{82 - 1}{4} = 20{,}25 \ \Rightarrow\ 20\ \text{(abgerundet)} \qquad n_\mathrm{max} = 95\ \mathrm{Bit} + 20\ \mathrm{Bit} = \underline{\underline{115\ \mathrm{Bit}}}

Übertragungsdauer, Grundform nach t umgestellt (2 Punkte):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} v_\mathrm{D} & = & \dfrac{n}{t} & \color{gray}{\cdot t} \\ v_\mathrm{D} \cdot t & = & n & \color{gray}{:v_\mathrm{D}} \\ t_0 & = & \dfrac{n_0}{v_\mathrm{D}} = \dfrac{95\ \mathrm{Bit}}{500\,000\ \mathrm{Bit/s}} = \underline{\underline{190\ \mu\mathrm{s}}} & \\ t_\mathrm{max} & = & \dfrac{115\ \mathrm{Bit}}{500\,000\ \mathrm{Bit/s}} = \underline{\underline{230\ \mu\mathrm{s}}} & \end{array}

Buslast dieser Nachricht (1 Punkt):

\frac{t_0}{T} = \frac{190\ \mu\mathrm{s}}{10\ \mathrm{ms}} = \underline{\underline{1{,}90\ \%}} \qquad \frac{t_\mathrm{max}}{T} = \frac{230\ \mu\mathrm{s}}{10\ \mathrm{ms}} = \underline{\underline{2{,}30\ \%}}

Geg.: Leitungslänge l = 160\ \mathrm{m}, v_\mathrm{D} = 500\ \mathrm{kbit/s}, Signallaufzeit etwa 5\ \mathrm{ns/m}

Ges.: Beurteilung, geeignete Bitrate

• Bei der Arbitrierung muss das Bit des entferntesten Knotens innerhalb einer Bitzeit hin und zurück laufen und vor dem Abtastpunkt anliegen (1 Punkt).
• Bitzeit T_\mathrm{Bit} = 1 / 500\,000\ \mathrm{Bit/s} = 2\ \mu\mathrm{s}; allein die Leitung braucht hin und zurück 2 \cdot 160\ \mathrm{m} \cdot 5\ \mathrm{ns/m} = 1{,}6\ \mu\mathrm{s}, dazu kommen die Verzögerungen der Transceiver. Der Abtastpunkt liegt bei etwa 75 bis 87,5 % der Bitzeit, also bei rund 1{,}5 \ldots 1{,}75\ \mu\mathrm{s}. Das reicht nicht; der Richtwert für 500\ \mathrm{kbit/s} liegt bei etwa 100\ \mathrm{m}. 500\ \mathrm{kbit/s} können nicht beibehalten werden (1 Punkt).
• Geeignet sind 250\ \mathrm{kbit/s} (Richtwert bis etwa 250\ \mathrm{m}) oder weniger; alle Knoten müssen auf dieselbe Bitrate umgestellt werden (1 Punkt).

Geg.: v_\mathrm{D} = 250\ \mathrm{kbit/s}; Bitfolge SOF bis DLC: 0 00001100000 000 0010

Ges.: Bitfolge auf dem Bus, Zahl der Stuffbits

Nach fünf gleichen Bits folgt ein Bit mit umgekehrtem Pegel; das Stuffbit zählt zur nächsten Folge (je richtig gesetztes Stuffbit 1 Punkt, Anzahl 1 Punkt):

vorher:   0 0000 11 00000 000 00 10
auf Bus:  0 0000 [1] 11 00000 [1] 000 00 [1] 10

• SOF und ID10 bis ID7 sind fünf dominante Bits, danach Stuffbit 1. Es bildet mit ID6 und ID5 eine Folge von drei rezessiven Bits.
• ID4 bis ID0 sind wieder fünf dominante Bits, danach Stuffbit 1.
• RTR, IDE, r0 sowie DLC3 und DLC2 sind fünf dominante Bits, danach Stuffbit 1.

Aus 19 Bit werden \underline{\underline{22\ \mathrm{Bit}}}, es sind \underline{\underline{3\ \text{Stuffbits}}}.

Ges.: Ursache für Wiederholung und Zustand „fehlerpassiv“

• Der Sender sendet im ACK-Slot rezessiv. Jeder Empfänger, der das Telegramm fehlerfrei empfangen hat, sendet dort ein dominantes Bit (1 Punkt).
• Ein Adapter im Modus „nur zuhören“ sendet keine Bestätigung, und weitere Knoten gibt es nicht. Das Panel liest im ACK-Slot rezessiv, erkennt einen Bestätigungsfehler, sendet ein Fehlertelegramm und wiederholt das Telegramm (1 Punkt).
• Jeder Bestätigungsfehler erhöht den Sendefehlerzähler; nach mehreren Versuchen liegt er über 127 und das Panel wird fehlerpassiv. Abhilfe: einen zweiten aktiven Knoten anschließen oder den Adapter in einen Modus mit Bestätigung schalten (1 Punkt).

Ges.: Meldung eines CRC-Fehlers und Verwerfen bei allen Knoten

• Der Empfänger berechnet die Prüfsumme über die empfangenen Bits selbst und vergleicht sie mit dem CRC-Feld. Weichen sie ab, sendet er im ACK-Slot keine Bestätigung und nach dem ACK-Delimiter ein Fehlertelegramm (1 Punkt).
• Das aktive Fehlertelegramm besteht aus sechs dominanten Bits und verletzt damit absichtlich die Stuff-Regel bzw. das Format von EOF. Alle anderen Knoten erkennen dadurch ebenfalls einen Fehler, auch wenn sie selbst richtig empfangen haben (1 Punkt).
• Alle Knoten verwerfen das Telegramm, der Sender wiederholt es automatisch. So haben alle Knoten immer denselben Datenstand (1 Punkt).

Geg.: TEC anfangs 0, jeder Sendefehler +8, keine Erfolge; fehlerpassiv bei \mathrm{TEC} > 127, bus-off bei \mathrm{TEC} > 255; v_\mathrm{D} = 250\ \mathrm{kbit/s}; Neustart nach 128 × 11 rezessiven Bits

Ges.: Zahl der Fehlversuche bis fehlerpassiv und bus-off, Verhalten, Mindestzeit bis zum Neustart

Fehlerpassiv (1 Punkt): Nach 15 Fehlversuchen ist \mathrm{TEC} = 15 \cdot 8 = 120 \le 127, nach 16 Fehlversuchen

\mathrm{TEC} = 16 \cdot 8 = 128 > 127 \quad\Rightarrow\quad \underline{\underline{16\ \text{Fehlversuche}}}

Bus-off (1 Punkt): Nach 31 Fehlversuchen ist \mathrm{TEC} = 248, nach 32 Fehlversuchen

\mathrm{TEC} = 32 \cdot 8 = 256 > 255 \quad\Rightarrow\quad \underline{\underline{32\ \text{Fehlversuche}}}

Verhalten (2 Punkte):

• fehlerpassiv: Der Knoten meldet Fehler nur noch mit sechs rezessiven Bits, die die anderen nicht stören, und wartet nach eigenem Senden zusätzlich 8 Bitzeiten. Er kann den Bus nicht mehr blockieren.
• bus-off: Der Knoten sendet und bestätigt nichts mehr; die übrigen Knoten arbeiten ungestört weiter, der Bürstenantrieb fällt aber aus.

Mindestzeit bis zum Neustart (1 Punkt):

t = \frac{n}{v_\mathrm{D}} = \frac{128 \cdot 11\ \mathrm{Bit}}{250\,000\ \mathrm{Bit/s}} = \frac{1408\ \mathrm{Bit}}{250\,000\ \mathrm{Bit/s}} = 5{,}632\ \mathrm{ms} \approx \underline{\underline{5{,}63\ \mathrm{ms}}}

Mit dem defekten Transceiver geht der Knoten danach sofort wieder in Fehler; die Ursache muss behoben werden.

Ges.: wahrscheinliche Ursache je Befund

Je Zeile 2 Punkte:

Geg.: Datenblock 48\ \mathrm{Byte} alle T = 20\ \mathrm{ms}; Classical CAN mit v_\mathrm{D} = 250\ \mathrm{kbit/s}, 8 Datenbytes je Telegramm: 44 + 64 + 3 = 111\ \mathrm{Bit}

Ges.: Zahl der Telegramme z, Übertragungsdauer t, Buslast; Vergleich und Empfehlung

\begin{aligned} &\text{(I)} && z = \dfrac{48\ \mathrm{Byte}}{8\ \mathrm{Byte}} \\ &\text{(II)} && t = \dfrac{z \cdot 111\ \mathrm{Bit}}{v_\mathrm{D}} \end{aligned}

Zahl der Telegramme (1 Punkt):

z = \frac{48\ \mathrm{Byte}}{8\ \mathrm{Byte}} = \underline{\underline{6}}

I in II, Übertragungsdauer ohne Stuffbits (1 Punkt):

t = \frac{6 \cdot 111\ \mathrm{Bit}}{250\,000\ \mathrm{Bit/s}} = \frac{666\ \mathrm{Bit}}{250\,000\ \mathrm{Bit/s}} = 2{,}664\ \mathrm{ms} \approx \underline{\underline{2{,}66\ \mathrm{ms}}}

Zusätzliche Buslast (1 Punkt):

\frac{t}{T} = \frac{2{,}664\ \mathrm{ms}}{20\ \mathrm{ms}} = 13{,}32\ \% \approx \underline{\underline{13{,}3\ \%}}

Vergleich (2 Punkte):

Empfehlung (1 Punkt): CAN FD passt gut: Der Block passt in ein einziges Telegramm, die Datenphase läuft schneller, die Arbitrierung bleibt bei 250\ \mathrm{kbit/s} und damit bei der vorhandenen Leitungslänge; die Buslast sinkt deutlich. Alle Knoten müssen dann CAN-FD-fähig sein, weil reine Classical-CAN-Controller CAN-FD-Telegramme als Fehler werten. CAN XL wäre erst bei sehr großen Datenmengen (z. B. Software-Updates, Ethernet-Pakete) nötig.