Vernetzte Systeme

Aufgaben- und
Arbeitsblatt 1
Signalerzeugung 3
LIN
Vernetzte Systeme
Touran und Golf ab 2003
4.3
Signalerzeugung LIN (Local Interconnect Network)
4.3.1
Grundsätzlicher Aufbau der Vernetzung
Das LIN ist die preisgünstige Alternative zum CAN und verbindet über kurze Entfernungen Steuerelemente wie Schalter, Displays, Sensoren und Aktoren. Mittlerweile ist der LIN-Bus zum weltweiten
Standard geworden. Local Interconnect bedeutet, dass sich alle Busteilnehmer innerhalb eines begrenzten Einbaubereiches befinden (z.B. in der Fahrer– oder Beifahrertür.)
Innerhalb der vernetzten Fahrzeugsysteme arbeitet ein LIN-Subnetz nicht autonom, sondern ist über
CAN-LIN-Schnittstellen bzw. Gateways immer im Gesamtnetz der Fahrzeuge eingebunden. Das LIN
wird deshalb auch als lokales Subsystem bezeichnet und wird das CAN nicht ersetzen, sondern nur
ergänzen.
Der LIN-Standard ermöglicht die Einsparung weiterer Leitungen und wird dort zum Einsatz kommen,
wo CAN bisher überdimensioniert ist, insbesondere im Bereich der Karosseriebusse.
CAN_H
CAN_L
Mikrocomputer mit CAN- und LINSchnittstelle
Mikrocomputer mit CAN-Schnittstelle
Master (Gateway)
Slave
Slave
LINBus
Spiegel
SMO
SFSV
SEFT
Slave
FHSFT
Vernetzung ohne und mit Subnetz am Beispiel der Fahrertür
An der linearen Topologie des LIN_Busses können bis zu 63 Teilnehmer angeschlossen werden.
Empfohlen wird jedoch eine maximale Anzahl von 16. In Abhängigkeit von den Aufgabe unterscheidet
man bei den Busteilnehmern Master- und Slave-Steuergeräte. Die Übertragungsrate kann zwischen 1
1 kBit/s und 20 kBit/s betragen, wobei 2,4 kBit/s, 9,6 kBit/s und 19,6 kBit/s zu bevorzugen sind. Bei der
Netzausdehnung ist eine Obergrenze von 40m vorzusehen.
Der LIN-Bus arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 12V .Dadurch sind die Bus-Pegel immer auf
UBat (Bordnetzspannung) bezogen und keine zusätzlichen Spannungspegelumsetzer erforderlich.
3.3.1.1 Ergänzen Sie in den beiden Abbildungen die Bezeichnungen:
CAN_L, CAN_H, Steuergerät mit CAN, Steuergerät mit CAN- und LIN-Schnittstelle (Gateway und
Master), Slave, LIN-Bus, Schließeinheit Fahrertür (SEFT), Schalter für Spiegelverstellung (SFSV),
Spiegelmotoren (SMO), Zentralschalter für die Fensterheber in der Fahrertür (FHSFT),
Aufgaben- und
Arbeitsblatt 2
4.3.2
Signalerzeugung 3
LIN
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Touran und Golf ab 2003
Aufbau der Busteilnehmer
Ein LIN-Busteilnehmer bzw. ein Knoten besteht aus einem Mikrocontroller und LIN-Transceiver. Der
Mikrocontroller besitzt eine spezielle LIN-Schnittstelle für die Abarbeitung des LIN-Protokolls. Dazu
kommt noch ein Spannungsregler, der die Bordnetzspannung auf die vom Mikrocontroller geforderten
5V umwandelt. Da die Botschaftsübertragung beim LIN grundsätzlich anders als beim CAN verläuft,
benötigt man beim LIN-Bus immer ein Master- und mindestens ein Slave-Steuergerät. Zur Festlegung
der Taktfrequenz verfügt nur der Master über einen Quarz-Oszillator. Die Slaves arbeiten dagegen nur
mit RC-Gliedern.
4.3.2.1 Master
Das Master-Steuergerät fungiert als Gateway zwischen dem LIN– und CAN-Bus. Es hat die Kontrolle
über den LIN-Bus und den Ablauf der Protokollübertragung. So bestimmt es z.B., welche Botschaft zu
welcher Zeit über den Bus geschickt wird.
Weiterhin übernimmt der Master das komplette Fehlerhandling, synchronisiert den Bus mit seiner Zeitbasis, empfängt die Wake up Brakes der Slaves bei Busruhe, kontrolliert Datenbytes und Checkbytes
und die Diagnose des Systems.
Bei der Diagnose bereitet er die vom LIN-Slave nach einer Anfrage gesendete Antwort für den Diagnosetester auf.
Antwortet der Slave nicht (Fehlermeldung: Slave not responding error) erfolgt im Master nach fünf vergeblich abgefragten Botschaften (IDs = Identifiers) ein Fehlereintrag.
CAN_H
CAN_L
Aufgabe:
CAN-Transceiver
Ergänzen Sie in der Darstellung die folgenden Bezeichnungen:
CAN-Controller
Mikrocomputer
CAN-Transceiver, CAN-Controller, Mikrocomputer, LIN-Transceiver,
Master (Gateway), Slave, Empfänger (E), Sender (S) CAN_L,
CAN_L, LIN-Bus
Mikrocomputer
Mikrocomputer
Slave
Slave
Master (Gateway)
E
LIN-Transceiver
S
E
LIN-Transceiver
S
E
S
LIN-Transceiver
Aufbau der Busteilnehmer (Master und Slave)
4.3.2.2 Slave
An einem LIN-Bus sind üblicherweise 2 bis maximal 16 Slaves angeschlossen. Diese empfangen und
übermitteln Daten, wenn eine passende Kennung (Identifier) vom Master gesendet wurde.
Der innere Aufbau des Slaves ist bis auf die CAN-Schnittstelle mit der des Masters identisch.
Da der Master ebenfalls Daten übermittelt, kann auch er gleichzeitig Slave sein.
Aufgaben- und
Arbeitsblatt 3
4.3.3
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Signalerzeugung 3
LIN
Arbeitsweise des Transceivers
Der LIN-Transceiver setzt die Signale der eindrahtigen LIN-Busleitung auf eine Standard-ZweidrahtSchnittstelle zum Lesen und Schreiben der Daten zwischen dem Mikrocontroller und Transceiver um
und schaltet die Signale auf den LIN-Bus.
Der Sendeteil für die Signalaufschaltung auf den Bus besteht aus einem Open-Collektor –Treiber, der
auf Masse durchschaltet, wenn ein dominanter Pegel, eine logische „“0“, gesendet werden soll. Eine
logische „“1“ wird rezessiv bei ca. 12V erzeugt, wenn der Transistor nicht angesteuert ist. In dieser
auch Wired-AND genannten Technik wird ein Pull-Up-Widerstand benötigt, der sich in allen Netzwerkknoten befindet. Im Master beträgt sein Wert 1 kOhm, in den Slaves 30kOhm.
Die Diode vor dem Widerstand dient zum Schutz des Busses vor Knoten, die ihre Verbindung zur
Fahrzeugmasse verloren haben.
Weil das LIN durch seine steilen Signalflanken bei gleichzeitig großem Spannungshub eine erhöhte
Störabstrahlung verursacht, wird in der LIN-Spezifikation eine maximale Anstiegs– und Abfallzeit der
Signalspannung von 1 bis 3V/µs vorgeschrieben. Die dadurch erreichte bessere EMV bewirkt allerdings eine Einschränkung der maximal möglichen Datenübertragungsrate, die bei 20kBit/s liegt.
Als Empfangsteil dient ein Komparator, der den Spannungswert auf der Busleitung mit dem Wert der
halben Versorgungsspannung vergleicht und das Ergebnis als TTL-Signal an den Mikrocontroller weitergibt.
Bei einem Kurzschluss der LIN-Bus-Leitung nach Masse oder Plus arbeitet der LIN-Bus nicht mehr.
4.3.3.1 Stromlaufplan für eine Simulationsschaltung
Aufgaben:
a) Kennzeichnen Sie in der folgenden Abbildung die im Text genannten Funktionselemente.
Quelle: Infinion
Vereinfachte Innenschaltung des LIN-Transceivers
b) Zeichnen Sie einen Stromlaufplan für eine Simulationsschaltung, mit der die Signale des LINBusses erzeugt und empfangen werden können.
Die dafür notwendigen Bauteile sind in der Abbildung auf der folgenden Seite dargestellt.
Aufgaben- und
Arbeitsblatt 4
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LIN
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Für den Aufbau der Simulationsschaltung des LIN-Transceivers stehen die folgenden Bauteile zur Verfügung.
Funktionsgenerator
Spannungsversorgung
Lösung: Stromlaufplan
+ 12V
1N4007
1 kτ
Operationsverstärker
741
2,2 kτ
22 kτ
LIN-Busleitung
+
1N4007
Funktionsgenerator
BD 135
4,7 kτ
BC 108
1Hz=, 5V
1 kτ
2,2 kτ
0V
Stromlaufplan für die Simulationsschaltung des LIN-Transceivers
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4.3.3.2 Simulationsschaltung zur Darstellung der Spannungssignale auf dem LIN-Bus
a)
Bauen Sie die folgende Schaltung auf und oszilloskopieren Sie das Spannungssignal auf der BusLeitung im Ruhezustand ( der Spannungswert des Funktionsgenerator s ist auf 0V gestellt)
Zeichnen Sie das Schaltzeichen des Oszilloskops in die Schaltung ein, an der die Spannungssignale auf der Busleitung gemessen werden. Bezeichnen Sie die LIN-Busleitung.
Übertragen Sie das Oszillogramm in das vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte
ein.
+ 12V
1N4007
1 kτ
2,2 kτ
Operationsverstärker
741
22 kτ
LIN-Busleitung
+
1N4007
Funktionsgenerator
BD 135
4,7 kτ
BC 108
1Hz=, 5V
1 kτ
2,2 kτ
0V
Simulationsschaltung des LIN-Transceivers
Oszillogramm der simulierten Spannungssignale (Ruhezustand)
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b) Schalten Sie den Funktionsgenerator ein und oszilloskopieren Sie das Signale auf der Busleitung.
Übertragen Sie das Oszillogramm in das unten vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte ein.
Oszillogramme der simulierten LIN –Spannungssignale
c) Erläutern Sie das Oszillogramm
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Aufgaben- und
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Signalerzeugung 3
LIN
4.3.3.3 Wirkungsweise der Empfängerschaltung
Verändern Sie die Simulationsschaltung der Aufgabe 4.3.3.2, indem Sie vor den Kolektor des Transistors BC 108, wie im unten folgenden Stromlaufplan eingezeichnet , einen einstellbaren Widerstand
einbauen.
+ 12V
1N4007
1 kτ
2,2 kτ
Operationsverstärker
741
22 kτ
LINBusleitung
+
1N4007
Funktionsgenerator
10 kτ
BD 135
4,7 kτ
BC 108
1Hz=, 5V
1 kτ
2,2 kτ
0V
Simulationsschaltung mit einstellbarem Widerstand vor dem Kolektor des BC 108
Aufgabe 1:
Schließen Sie die Eingänge eines 2-Kanaloszilloskops an den LIN-Bus und den Ausgang des Komparators an.
Stellen Sie den einstellbaren Widerstand auf den Widerstandswert 0 kOhm ein und oszilloskopieren
Sie die Oszillogramme. Übertragen Sie diese in das folgende Raster und tragen Sie die Spannungswerte an den Kurven ein.
10,9V
2,6V
11,3V
0,2V
Aufgaben- und
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Signalerzeugung 3
LIN
Aufgabe 2:
Verändern Sie den Wert des einstellbaren Widerstandes in Richtung 10 kOhm. Oszilloskopieren Sie
die Spannungssignale am LIN-Bus und dem Komparatorausgang. Tragen Sie die Spannungswerte in
die Oszillogramme ein.
Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen.
10,9V
2,6V
11,2V
3,7V
Beobachtungen:
Obwohl sich das Spannungssignal auf dem LIN-Bus ändert, bleibt das Signal am Ausgang des
Komparators unverändert.
Aufgabe 3:
Erläutern Sie, warum sich die Schaltung so verhält.
Da der Komparator auf die Spannungsdiffenz an seinen Eingängen reagiert, reicht das Spannungssignal auf dem LIN-Bus aus, um ihn anzusteuern.
Aufgabe 4:
Bei welchen Spannungsverhältnissen könnte der Komparator nicht mehr arbeiten?
Der Komparator könnte nicht mehr arbeiten, wenn das Spannungssignal auf dem LIN-Bus den Spannungswert von UBat1/2 annimmt.
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Aufgabe 5:
Verändern Sie die Simulationsschaltung wie im folgenden Stromlaufplan vorgegeben. Oszilloskopieren Sie ebenfalls die Signale auf dem LIN-Bus und Komparatorausgang.
Verändern Sie langsam den Widerstandswert des einstellbaren Widerstands, bis das Spannungssignal am Komparator nicht mehr angezeigt wird.
Übertragen Sie beide Oszillogramme in das vorgegebene Raster und tragen Sie die Spannungswerte
an den Kurven ein.
Erläutern Sie das Messergebnis.
+ 12V
1N4007
1 kτ
2,2 kτ
Operationsverstärker
741
22 kτ
LINBusleitung
+
Funktionsgenerator
1N4007
10 kτ
BD 135
4,7 kτ
BC 108
10 kτ
1Hz=, 5V
1 kτ
0V
2,8V
5,7V
0,3V
2,2 kτ
4,7 kτ