Bussysteme

• Echtzeitanwendung
• Anwendung im Antriebsstrang
• Datenrate ist nicht hoch
• Anforderungen
  • Periodisches Senden mit hoher Frequenz (Motordrehzahl)
  • kurze Latenzzeit (Antwortzeit)
  • hohe Zuverlässigkeit

• niedrige Wiederholfrequenz
• Anwendung für Sitzmotoren, Lampen, Fenstermotoren, Wischer
• Ziel: Kabelbaum minimieren

• Anwendung: Navigation, Unterhaltung, Telefon
• hoher Datendurchsatz
• Anforderungen bzg. Latanzzeit und Zuverlässigkeit geringer als bsp. High Speed CAN

On Board

• High Speed (125...1000 Kbit/s)
• Low Speed (25...125 Kbit/s)
• Multimedia (>10Mbit/s)

Off Board

• Werkstattdiagnose (<10Kbit/s)
• Fertigungstest
• Applikation

Eindraht

• unipolar

Zweidraht

• bipolar
• twisted pair (vermeiden von magnetischen Hin- und Rückflüssen)

Übertragung mit positiver Logik:

• höhere Spannung = 1
• kleinere Spannung = 0

Bitrate: f_bit = 1/T_bit mit T_bit als Bitdauer

für eine Leitung der Länge l:

• C_ges = C' * l
• ...

Leitungsimpedanz

• R' << jwL' und G' << jwC' → Z₀ = sqrt(L'/C')

• partielle DGL beschreibt Welle von Leitungsanfang zum Leitungsende und eine die sich in umgekehrte Richtung bewegt
• Verzweigungen, Beschädigungen, Verbraucher am Ende des Kabels bewirken Veränderungen der elektrischen Eigenschaft des Kabels
• ein Teil der Energie wird an diesen Störstellen reflektiert und läuft als Echo zurück
• Reflexionsfaktor: r = U_T/U₀
• wichtige Kenngröße: Wellenwiderstand Z (Leitungsimpedanz)

Nur wenn die Leitung am Ende angepasst angeschlossen wird, werden Reflexionen vollständig vermieden --> Dies ist wichtig für Datenübertragung, da das reflektierte Signal das gesendete logische Signal überlagern würde

Betrachtung verschiedener Relationen von Z₀ und Z_A

1. Point-to-Point: Ein Sender - Ein Empfänger
   • Voll Duplex: 1 Paar unidirektionale Leitungen --> gleichzeitig Senden und Empfangen
   • Halb Duplex: 1 bidirektionale Leitung --> nur abwechselnd senden und empfangen (Standard im KFZ)
2. Broadcast: Ein Sender - potenziell viele Empfänger (KFZ)
3. Multicast: Ein Sender - tatsächlich viele Empfänger (KFZ)

Gemeinsames Medium zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern

Anwendungen:

• Lokale Busse
• Backplane Busse
• Feldbusse (KFZ)

Parallel:

• kein Zeitverlust durch Umsetzung
• einzelne Leitungen  können zu Kontrollzwecken hinzugefügt werden --> kürzere Reaktionszeiten
• weite Verbreitung als sog. Backplane Busse

Seriell:

• geringere Kabelkosten, längere Kabel möglich (KFZ)
• geringere Leiterplattenfläche
• im KFZ als Feldbus eingesetzt

definiert ein vollständiges und eindeutiges Regelwerk für die Kommunikation von mind. 2 Teilnehmer

Angaben:

• Syntax (Vorgabe der Zeichen und Wortlängen)
• Semantik (richtige Verwendung syntaktisch korrekter Konstrukte)
• Pragmatik (Wissen)
• Zeitvorgabe

Botschaft: besteht nicht nur aus Nutzdaten, sondern auch

1. Vorspann Header
   • Adressinformation (Sender und Empfänger)
   • Anzahl der zu übertragenden Bytes
   • Art der zu übertragenden Daten
2. Ende Trailer
   • Fehlerprüfung und Korrektur

Botschaften können

• gerätebasiert (Teilnehmer)
• inhaltsbasiert (Botschaftskennung) adressiert werden

Zeit von Beginn der Sendung einer Botschaft bis zum tatsächlichen Beginn des Empfang

• Verzögerung durch das Durchlaufen der Schichten
• Verzögerung durch Arbitrierungsvorgänge
• Übertragungsdauer auf dem Bus (Bitrate, Datenmenge, Protokolloverhead)

NRZ-Codierung

• jedes Bit hat ein Logikpegel
• wenn mehrere gleiche Bits übertragen werden, erscheint auf dem Bus ein entsprechend langer gleichbleibender Pegel

RZ-Codierung

• Pegelwechsel bei Übertragung von High-Bit
• wenn mehrere High-Bits übertragen werden, kann Empfänger sich synchronisieren
• bei mehreren Low-Bits besteht die Möglichkeit nicht

Manchester-Codierung

• immer Möglichkeit der Synchronisation
• High Bit = Pegelwandel von High auf Low
• Low Bit = Pegelwandel von Low auf High

• zur Synchronisation aller Teilnehmer werden nach 5 gleichen Bits ein komplementäres Bit eingefügt
• ermöglicht hohe Transportkapazität bei ausreichender Synchronisierungsfähigkeit
• im günstigsten Fall keine Stuffbits
• im ungünstigsten Fall haben nicht alle Bits den gleichen Pegel, sondern nach den ersten gleichen 5 Bits folgen immer 4 komplementäre Bits (Verhältnis Nutzbits und Stuffbits 4:1)

Client-Server-Modell vs. Producer-Consumer-Modell

1. 1-to-1 Kommunikation
2. Multicast- oder Broadcastverfahren (Anforderung wird an alle gesendet)

Teilnehmerorientiertes Protokoll

• Nachrichten enthalten eindeutige Identifikation der am Transfer beteiligten Teilnehmer (Adresse des Teilnehmers)

Nachrichtenorientiertes Protokoll

• durch Kennung (Identifier) eindeutig identifiziert
• Sendeziel nicht definiert
• Jeder Busteilnehmer entscheidet selbst über Verwendung der Botschaft

1. Stern-Topologie
   • Teilnehmer sind nicht an allen Transfer beteiligt
   • nach Ausfall Master keine Kommunikation mehr möglich
   • hoher Kabelaufwand
   • Kassensysteme, Bürokommunikation
2. Ringtopologie
   • geringer Aufwand bei Verkabelung
   • Ausfall eines Teilnehmers sorgt für Systemausfall
   • hoher Datenverkehr --> hohe Latenzzeit
   • im Automobil als MOST-Bus
3. vollständige Vermaschung
   • höchster Grad an Sicherheit bei Ausfall
   • geringer Datenverkehr
   • hoher Verkabelungsaufwand (bei Anschluss weiterer Teilnehmer)
4. Lineare Bustopologie
   • Anwendung bei CAN-Bus
   • Verkabelungsaufwand gering
   • neue Teilnehmer einfach zu implementieren
   • Ausfall eines Teilnehmer hat keine Auswirkung auf System
   • Ausfall des Übertragungsmediums sorgt für Totalausfall

Transceiver

• Umsetzung der Bussignale auf die steuergeräteinternen Spannungspegel für Sendesignale (Transmitter) und die Empfangssignale
• Bustreiber, Leitungstreiber, physikalisches Businterface

Repeater

• Signalverstärker zwischen Leitungsabschnitten
• erlaubt längere Leitungen --> längere Signallaufzeiten

Gateway

• Kopplung mehrerer Bussysteme mit Adress-, Geschwindigkeits- oder Protokollwandlung
• CAN-Botschaften auf LIN-Bus

Bridge

• Speicherung und zeitverschobene Übertragung

Regeln Art und Weise wie Teilnehmer auf Bus zugreifen können

1. deterministisch: kontrollierter Vorgang, keine gleichzeitigen Zugriffe, Antwortverhalten ist vorhersagbar
2. zufällig: gleichzeitiger Zugriff erlaubt, zeitliche Verhalten ist nicht vorhersagbar

zentral gesteuert: Master-Slave-Verfahren

• ein zentraler Busteilnehmer (M) ruft zyklisch alle anderen Teilnehmer (Ti) auf und kontrolliert so den Bus

dezentral gesteuert: Token-Passing

• Sendeberechtigung (Token) läuft reirum
• Weitergabe wenn Sendezeit abgelaufen oder keine weiteren Daten mehr vorhanden
• die Weitergabe des Token muss überwacht werden --> aufwändig und keine Verwendung im KFZ

dezentral (zeit-)gesteuert: TDMA Time-Devision-Multiple Access

• jedes Steuergerät erhält ein bestimmtes periodisches Zeitfenster zum Senden
• bei mehr oder wichtigere Datenmengen erhalten sie längere Zeitfenster oder mehrere Fenster in kürzeren Zeitabständen

nicht kollisionsfrei: CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detect

• jedes Steuergerät kann zu beliebiger Zeit auf Bus zugreifen
• bei gleichzeitigem Zugriff mehrerer werden elektrische Signale verfälscht
• Steuergerät überwacht Signale auf Bus zur Fehlererkennung --> bei Kollision stellen Steuergeräte Übertragung ein und versuchen es später

kollisionsfrei: CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance

• Botschaft mit höchster Priorität "gewinnt" --> kollisionsfrei übertragen (kodierte Priorität)
• Teilnehmer mit niederer Priorität stellen Senden ein
• annähernd deterministische Übertragungseigenschaften

• Erhöhung der Sicherheit durch Prüfinformation zusätzlich zur Nutzinformation
• Gesamtinformation über den Bus wird Codewort genannt

Bsp. Parity Check: durch Parity Bits wird Anzahl der Einsen systematisch auf eine gerade oder ungerade Anzahl gebracht

eine zu sichernde Botschaft wird als  Polynom aufgefasst und durch ein festgelegtes Generatorpolynom dividiert (Modulo-2-Division), der Rest der Division wird als Prüfsequenz zusätzlich dem Empfänger übertragen

Vorgehensweise

1. Es soll das Binärwort M übertragen werden
2. Das Binärwort M wird um ein weiteres Binärwort F mit der Länge n erweitert. Es entsteht ein neues Binärwort T
3. Ein Generatorpolynom p der Länge n ist fest vorgegeben und sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt
4. Der Sender wählt das Binärwort F so, dass bei der Teilung von T durch das Generatorpolynom der Rest null entsteht
5. Der Empfänger führt die gleiche Operation aus und geht bei einem Rest von null von einer fehlerfreien Datenübertragung aus

• Empfänger muss innehalb einer festgelegten Zeit die Nachricht quittieren
• vorwiegend bei teilnehmerorientierten Protokollen
• im Fehlerfall wiederholt der Sender die Nachricht und wartet erneut eine Quittung ab

• der Empfänger und Erkenner der fehlerhaften Botschaft signalisiert allen Teilnehmer und dem Sender, dass die Botschaft fehlerhaft war und nicht verwendet werden darf