DE202005008437U1

DE202005008437U1 - Optische CAN-Hochgeschwindigkeits-Netzwerke mit Hub und Minibridge

Info

Publication number: DE202005008437U1
Application number: DE200520008437
Authority: DE
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: ROHR, STEPHAN, DE
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2015-06-01

Abstract

Optische CAN-Hochgeschwindigkeits-Netzwerke mit Hub und Minibridge, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die durch den Hub eine Synchronisation der vorhandenen optischen Schnittstellen auf die Busgeschwindigkeit vornehmbar machen und dann eine Fehlerüberprüfung nachgeschaltet ist, die für jeden Kanal separat auf acht empfangene, konsekutive dominante Bits prüft und bei Erreichen derselben den optischen Port abschaltet, so dass maximal ein Error-Frame erzeugt wird.

Description

1 Stand der Technik
Zur Nachrichtenübermittlung in dezentralen Kommunikationsstrukturen, wie beispielsweise Fahrzeuge oder Fertigungsanlagen, werden Bussysteme eingesetzt, um den Verkabelungsaufwand zu minimieren. Speziell von Interesse ist hier das Controller Area Network (CAN), das von der Robert Bosch GmbH 1991 entwickelt wurde [1].
Besonders in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Strahlung kann es bei ungenügender Schirmung des Bussystems dazu kommen, dass einzelne Teilnehmer (im weiteren mit Knoten bezeichnet) in der Kommunikation derart gestört werden, dass keine weitere Kommunikation über den Bus möglich ist. Besonders bei der Verwendung von Protokollen wie CANopen oder DeviceNet erfolgt dann durch den Master eine Ausgrenzung des Knotens an der Kommunikationsteilnahme, da er nicht mehr innerhalb der vorgegebenen Zeitlimits erreicht werden kann.
Besondere Vorkehrungen in der Schirmung und Busterminierung von elektrischen CAN ermöglichen eine weitgehend störungsfreie Buskommunikation. Die Ausbildung von Masseschleifen kann dadurch verhindert werden, dass der CAN-Transceiver und der CAN-Controller durch Optokoppler voneinander getrennt werden und durch getrennte Spannungsquellen versorgt werden. Dieses Vorgehen ist gängige Praxis. Besonders in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Strahlung kann allerdings eine ungenügend geschirmte Busleitung derart gestört werden, dass keine sichere Erkennung der Nachrichten im Knoten erfolgen kann. Gerade in F&E Umgebungen ist es notwendig Schirmungen zu entfernen, um Geräte abgleichen und einstellen zu können. Damit eine ungestörte Buskommunikation weiterhin möglich ist, ist hier der Einsatz eines optischen Bussystems vorteilhaft, das die gesamte Bandbreite der Geschwindigkeit des CAN unterstützt und durch die optische Ausführung unempfindlich gegen EMV ist [2]. Dabei ist es von besonderem Interesse eine optische Struktur zu erhalten, die eine einfache Anbindung in bereits bestehende elektrische Netzwerke ermöglicht.
2 Aufgabenstellung
Das im weiteren vorgestellte System unterscheidet sich von den am Markt befindlichen optischen Systemen dahingehend, dass sowohl eine rein optische als auch eine Kombination aus elektrischen und optischen Netzwerken unterstützt wird. Dadurch, dass der Physical Layer nach ISO 11898-2 nicht verletzt wird, ist eine Integration der optischen Lösung in bereits vorhandene elektrische Bussysteme möglich. Die besondere Problematik bei optischen Netzwerken in Sternanbindung besteht nun darin, dass ein einzelner Knoten in der Lage wäre, das gesamte Netzwerk zu blockieren, wenn durch ihn Störungen verursacht werden, durch beispielsweise fehlerhafte LWL (Lichtwellen-Leiter). Das hier vorgestellte Konzept erlaubt eine Echtzeit-Fehlerdetektion im Hub selbst, womit unterbunden wird, dass einzelne Knoten das gesamte Netzwerk blockieren könnten. Diese Fehlerdetektion wurde so entwickelt, dass die physikalische Schnittstelle, definiert nach ISO 11898-2, nicht verletzt wird. Besonders wichtig ist dabei eine sehr geringe Latenzzeit zwischen den einzelnen Knoten, damit die Arbitrierung nicht gestört wird und auch unter der maximalen Busgeschwindigkeit ablaufen kann. Ein besonderes Merkmal der entwickelten Technologie ist die mögliche, vollständige Integration in bereits bestehende elektrische Netzwerke und die Ausbildung verschiedener Netzwerktopologien, die im weiteren vorgestellt werden.
Für die Ausbildung der verschiedenen Netztopologien werden die Komponenten „Minibridge" und „Hub" benötigt.
Die Minibridge besteht aus den optischen Empfangs- und Sendemodulen auf der einen und einem CAN Treiber auf der anderen Seite. Dabei werden die Signale des CAN Treibers lediglich auf optische Lichtimpulse umgesetzt.
Der Hub besteht aus einer Integration von mehreren optischen Empfangs- und Sendemodulen, deren Anzahl lediglich durch die Größe des eingesetzten programmierbaren Logikbausteins begrenzt ist und einer elektrischen Anbindung mittels CAN Treiber. 1 zeigt, wie aus einem elektrischen Knoten durch Unterbrechung der TTL Signale und Einfügen optischer Sende- und Empfangsmodule ein optischer Knoten und eine Minibridge entsteht. Die Anbindung zweier oder mehrerer optischer Empfangs- und Sendemodule untereinander wird als Hub bezeichnet. Um sehr kurze Latenzzeiten zu bekommen wurde eine Integration mittels programmierbarer Logik gewählt.
Im weiteren sind die verschiedenen möglichen Netzwerktopologien erläutert:
2 zeigt den Aufbau einer optische Stichleitung. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass auf eine Änderung der Terminierung durch Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Busleitung bei Ausbildung einer elektrischen Stichleitung verzichtet werden kann. Ebenso ermöglicht die optische Stichleitung die Anbindung von Knoten an ein bestehendes elektrisches CAN Netzwerk, die sich in einer Umgebung mit starker EMV befinden und bei Einsatz einer elektrischen Leitung massive Störungen auf dem CAN verursachen würden.
3 zeigt den Aufbau eines rein optischen Netzwerks. Dadurch, dass die Latenzzeiten der Knoten und des optischen Hubs sehr gering sind, kann die Ausdehnung des Bussystems entsprechend größer gewählt werden, als dies bei elektrischen Netzwerken der Fall ist.
Die 4 zeigt den Aufbau eines gemischten Netzwerks bestehend aus mehrere optischen und elektrischen Teilnehmern.
Zur Anbindung von elektrischen Knoten, bei denen die TTL Signale zwischen dem CAN Treiber und dem CAN Controller nicht abgegriffen werden können wurde ein „aktiver Hub" entwickelt, der aus einem Mikrocontroller besteht und einzelne elektrische Knoten mittels Minibridge an den CAN Bus anbindet (5). Da diese Version keine gemeinsame Arbitrierung ermöglicht kann nicht garantiert werden, dass die Nachrichten auch mit entsprechender Latenzzeit übertragen werden können, denn der Nachrichtenaustausch erfolgt hier über den Layer 7 des ISO/OSI Modells, während die Arbitrierung im Layer 1 erfolgt. Dafür ermöglicht die Kombination des aktiven Hubs mit dem optischen Hub die Ausbildung von Netzwerksegmenten, bei denen die Arbitrierungseinheiten voneinander getrennt sind.
3 Ausführungsbeispiel
Die Minibridge nach 1 dient der Anbindung von elektrischen CAN Treibern an LWL. 1 Mitte zeigt die Ausführung der Minibridge. Da die Minibridge direkt die optischen Module mit dem CAN Treiber verbindet und auf zusätzliche Logik verzichtet ist darauf zu achten, dass die dominanten und rezessiven Bits im Hub entsprechend gleich behandelt werden. Daher wurde der Prototyp mit inverser Logik implementiert, d. h. ein dominantes Bit wird mit einem „nicht Leuchten" und ein rezessives Bit mit einem „Leuchten" des Sendemoduls gekennzeichnet. Eine Veränderung der Logikzuordnung ist jederzeit möglich. Mit der „invertierten Logik" konnte auf weitere Bauteile bei der Minibridge verzichtet werden und eine 1:1 Anbindung der Sende- und Empfangsmodule an den CAN Treiber vorgenommen werden.
Der Hub nach 1 unten wurde mittels programmierbarer Hardware entwickelt. Dabei wurde die Arbitriereinheit mit möglichst wenig Gattern implementiert, um so eine minimale Laufzeit zu erhalten. Die Fehlererkennung des Hubs erfolgt in der Logikstruktur parallel zur Arbitrierung, indem die maximale Anzahl von dominanten Bits mitgezählt wird. Bei Überschreitung der maximalen Anzahl konsekutiver Bits wird der Kanal abgeschaltet; dabei entsteht automatisch ein Errorframe, so dass die anderen Knoten den Fehler mitbekommen. Weitere Fehler werden durch die dauerhafte Abschaltung des fehlerhaften Kanals durch den Hub unterbunden. Signalisiert der Knoten am Port des Hubs erneut den „Idle" Zustand wird der Fehler wieder gelöscht und der Knoten kann wieder an der Kommunikation teilnehmen. Ein Mitlesen der Nachrichten wird jederzeit jedem optischen Teilnehmer gestattet, so dass bei einer fehlerhafter Sendeeinheit eines Knotens ein Nachrichtenempfang trotzdem möglich ist.
6 zeigt den Aufbau eines Empfangskanals des Hubs. Zunächst wird das optische Signal im Empfängermodul in Signale umgesetzt, die der programmierbare Logikbaustein einlesen kann. Dann erfolgt im Synchronisationsmodul die Synchronisation auf die CAN Nachricht. Die gewählte Busgeschwindigkeit wird im Synchronisationsmodul eingestellt. Danach werden die Bits seriell weitergeleitet und von der Fehlererkennungseinheit überprüft. Bei Erkennen eines Fehlers, der nicht in der CAN Spezifikation beschrieben ist wird der Kanal von der Fehlererkennungseinheit abgeschaltet. Eine Löschung des Fehlers und eine damit erneute Zuschaltung des Kanals erfolgt erst wieder, wenn die Fehlererkennungseinheit den Fehler zurücksetzt. Das erfolgt dann, wenn ein „Idle" Signal am Empfangsmodul erkannt wird.
7 zeigt schematisch die Zusammenfassung der einzelnen Kanäle. Die Anzahl der Kanäle ist, wie bereits erwähnt, nur von der Größe des programmierbaren Logikbausteins abhängig. In der Arbitriereinheit werden die empfangenen Kanäle dann so zusammengesetzt, dass sich jeweils das dominante Bit durchsetzt und an die Sendeeinheiten weitergeleitet wird. Dadurch wird eine minimale Latenzzeit errreicht.
Dieses System wurde im März 2003 der Öffentlichkeit auf der internationalen CAN Konferenz vorgestellt [3].

[1] Bosch. CAN Specification. Robert Bosch GmbH, 1991.
[2] Stephan Rohr, Markus Stiegeler, Herbert Kabza. Low Cost Optical CAN Networks Supporting HUB based Topologies. EPE European Power Electronics, Toulouse, France, September 2003
[3] Stephan Rohr, Herbert Kabza. High Speed Optical Controller Area Networks (CAN). International CAN Conference, Rom, März 2005

Claims

Optische CAN-Hochgeschwindigkeits-Netzwerke mit Hub und Minibridge, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die durch den Hub eine Synchronisation der vorhandenen optischen Schnittstellen auf die Busgeschwindigkeit vornehmbar machen und dann eine Fehlerüberprüfung nachgeschaltet ist, die für jeden Kanal separat auf acht empfangene, konsekutive dominante Bits prüft und bei Erreichen derselben den optischen Port abschaltet, so dass maximal ein Error-Frame erzeugt wird.
CAN-Hochgeschwindigkeitsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Minibridge eine Umsetzung der elektrischen CAN-Signale auf optische Signale vornehmbar ist. Die Minibridge ist so verschaltet, dass die RX- und TX-Signale des elektrischen CAN-Transceiver Bausteins mit den optischen Sende- und Empfangsmodulen verbunden sind.
Netzwerke nach vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sie über einen aktiven Hub verfügen, der ein beliebiger Mikrocontroller mit mehreren CAN-Schnittstellen ist. An die TTL-Signale der CAN-Schnittstellen (RX und TX) sind die optischen Sende- und Empfangsmodule direkt angeschlossen.
Netzwerke nach vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Taktgebers eine Synchronisation auf eine eingehende optische Nachricht vorhanden ist. Für den Taktgeber ist eine Einstellung der Baudrate vorhanden.
Netzwerke nach vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerdetektor vorhanden ist, der bei Erkennen einer unzulässigen Anzahl von dominanten Bits den optischen Port abschaltet, so dass der dort angeschlossene Knoten nur noch Empfangen aber nicht mehr Senden kann. Die einzelnen eingehenden Bits werden dem Fehlerdetektor durch den Taktgeber nach Anspruch 2 zur Verfügung gestellt. Der Fehlerdetektor ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Zählbausteins aufeinander folgende dominante Bits gezählt werden. Werden 7 aufeinander folgende dominante Bits gezählt, dann wird ein Flip-Flop gesetzt, um den Fehlerzustand zu speichern und den optischen Port von der weiteren Kommunikation auszuschließen.
Netzwerke nach vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdetektor nach Anspruch 5 bei Erkennen des Bus-Idle Zustands einen optischer Port freigebbar macht, so dass der dort angeschlossene optische Knoten wieder an der Kommunikation teilnehmen kann. Das wird dadurch erreicht, dass eine Anzahl von n aufeinander folgenden rezessiven Bits an dem optischen Port zählbar ist, wodurch das Flip-Flop der Fehlererkennung wieder zurück gesetzt wird. Die Anzahl n muss theoretisch 10 aufeinander folgende rezessive Bits betragen (EOF + IFS), bei hoher Buslast hat sich ein größerer Wert als besser erwiesen, der zählbar ist, bevor der an dem optischen Port angeschlossene Knoten wieder am Busverkehr teilnehmen darf.
Netzwerke nach vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, das ein Mikrocontroller mit mehreren CAN-Schnittstellen vorhanden ist (nach Anspruch 3 als aktiver Hub bezeichnet), wodurch vorhandene elektrische Teilnehmer über die Minibridge nach Anspruch 2 an den Hub nach Anspruch 1 mittels Lichtwellenleiter anschließbar sind.