Einführung in CAN-Bus-Nachrichtentypen

Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein weit verbreitetes serielles Kommunikationsprotokoll, das sich besonders für die Automobil- und Industrieautomatisierungsbranche eignet. Nachrichtentypen auf dem CAN-Bus können grob wie folgt kategorisiert werden, wobei jeder Typ seinen spezifischen Zweck und sein spezifisches Format hat.

I. Datenrahmen

Der Datenrahmen ist der grundlegendste Nachrichtentyp auf dem CAN-Bus und wird zur Datenübertragung zwischen Knoten verwendet. Ein Datenrahmen besteht aus mehreren Segmenten, einschließlich „Start of Frame“, „Arbitration Field“, „Control Field“, „Data Field“, „CRC Field“, „ACK Field“ und „End of Frame“.

1. Start-of-Frame (SOF)

• Definition: Ein Segment, das den Beginn eines Datenrahmens anzeigt und aus einem einzelnen aktiven Bit (logisch 0) besteht.
• Funktion: Wenn der Bus inaktiv ist, sendet der sendende Knoten den Start of Frame; Andere empfangende Knoten synchronisieren sich mit diesem Start-of-Frame-Bit.

2. Schiedsgebiet

• Definition: Ein Segment, das die Priorität des Frames angibt. Abhängig von der Länge des Arbitrierungsfeld-ID-Codes werden Frames in Standard-Frames (CAN 2.0A) und erweiterte Frames (CAN 2.0B) klassifiziert.
• Inhalt: Das Arbitrierungsfeld eines Rahmens im Standard--Format besteht aus einer 11-Bit-ID (ID) und einem RTR-Bit (Remote Transmit Request). Das Arbitrierungsfeld eines Frames im erweiterten Format besteht aus einer 29-Bit-Kennung und einem RTR-Bit.
• Funktion: Wird verwendet, um den Typ des übertragenen Frames (Datenframe oder Fernsteuerungsframe) und das Frameformat (Standardframe oder erweiterter Frame) zu bestimmen und die Priorität des Frames festzulegen.

3. Kontrollfeld

• Definition: Ein Feld, das die Anzahl der Bytes in den Daten und die reservierten Bits angibt.
• Inhalt: Enthält den Datenlängencode (DLC) und zwei reservierte Bits (r0, r1). Der DLC gibt die Anzahl der Bytes im Datenfeld an, die zwischen 0 und 8 Bytes liegen kann.
• Funktion: Informiert den empfangenden Knoten über die Länge des Datenfelds, damit die Daten korrekt empfangen werden können.

4. Datenfeld

• Definition: Der Inhalt der Daten; Es können 0 bis 8 Byte Daten übertragen werden.
• Zweck: Übermittlung der tatsächlichen Dateninformationen.

5. CRC-Feld (Cyclic Redundancy Check Field)

• Definition: Ein Feld zur Überprüfung auf Übertragungsfehler in einem Frame, bestehend aus einer CRC-Sequenz und einem CRC-Begrenzer.
• Funktion: Gewährleistet Datenintegrität und -genauigkeit durch CRC-Verifizierung.

6. ACK-Feld (Bestätigungsfeld)

• Definition: Ein Segment, das die Bestätigung eines erfolgreichen Empfangs anzeigt und aus einem ACK-Slot und einem ACK-Begrenzer besteht.
• Funktion: Wenn der Empfänger eine gültige Nachricht korrekt empfängt, sendet er während des ACK-Slots ein positives Bit an den Sender, um den Empfang zu bestätigen.

7. Ende des Frames (EOF)

• Definition: Ein Segment, das das Ende eines Datenrahmens anzeigt und aus 7 negativen Bits besteht.
• Funktion: Signalisiert das Ende des Datenrahmens.

II. Remote-Rahmen

Mit einem Remote Frame wird die Übertragung eines Datenframes mit derselben ID angefordert. Wenn ein empfangender Knoten bestimmte Daten benötigt, diese aber nicht hat, sendet er einen Remote-Frame, um den sendenden Knoten aufzufordern, den entsprechenden Datenframe zu senden. Die Struktur eines Remote-Frames ähnelt der eines Datenframes, jedoch ist das Datensegment leer und das RTR-Bit ist auf 1 gesetzt.

III. Fehlerrahmen

Ein Fehlerrahmen besteht aus zwei Feldern: dem Fehlerflag und dem Fehlertrennzeichen. Wenn ein empfangender Knoten einen Fehler in einer Nachricht auf dem Bus erkennt, sendet er automatisch ein „aktives Fehlerflag“; Andere Knoten senden beim Erkennen des aktiven Fehlerflags ein „Fehlerbestätigungsflag“. Das Senden eines Fehlertelegramms unterbricht die laufende Buskommunikation, bis der Fehler behoben ist.

IV. Rahmen überladen

Ein Überlastrahmen besteht aus einem Überlastflag und einem Überlasttrenner. Ein Überlastungsrahmen wird übertragen, wenn der empfangende Knoten übermäßig viel Zeit benötigt, um die aktuellen Daten zu verarbeiten, bevor er den nächsten Rahmen empfängt, oder wenn im Zwischenrahmenraumfeld ein dominanter Pegel erkannt wird. Die Übertragung eines Überlastungsrahmens verzögert die Übertragung nachfolgender Rahmen, um sicherzustellen, dass die Kommunikation auf dem Bus nicht aufgrund einer Überlastung unterbrochen wird.

V. Andere Nachrichtentypen

Zusätzlich zu den oben genannten vier grundlegenden Nachrichtentypen definiert das CAN-Bus-Protokoll mehrere andere spezielle Nachrichtentypen, wie z. B. die Nachrichtentypen Interframe Space und N_PCI (z. B. Einzelrahmen, Startrahmen, kontinuierlicher Rahmen, Flusskontrollrahmen usw.). Diese Nachrichtentypen werden in bestimmten Kommunikationsszenarien verwendet, um unterschiedliche Kommunikationsanforderungen zu erfüllen.

Zusammenfassung

Zu den Nachrichtentypen auf dem CAN-Bus gehören Grundtypen wie Datenrahmen, Fernsteuerungsrahmen, Fehlerrahmen und Überlastrahmen sowie spezielle Typen wie Interframe Space und N_PCI-Nachrichtentypen. Jeder Nachrichtentyp hat seine spezifische Struktur und seinen spezifischen Zweck und bildet zusammen die Grundlage der CAN-Bus-Kommunikation. In praktischen Anwendungen gewährleistet die Auswahl des geeigneten Nachrichtentyps für die Datenübertragung basierend auf spezifischen Kommunikationsanforderungen eine zuverlässige und effiziente Kommunikation.