Projekt 14: Sensor mit CAN-Schnittstelle

VW-Kombiinstrument mit Peripherie

Dieser Bericht beschreibt die Ansteuerung eines Kombiinstruments für PKW der Marke Volkswagen mit Hilfe der Entwicklungs-, Test- und Analyseumgebung CANoe der Vector Informatik GmbH und mit einem Arduino Uno. Die Lösung wurde im Rahmen des Elektrotechnik-Fachprakikums im Studiengang Mechatronik der HSHL während des WS 13/14 von Ziad Abuelkhair und Daniel Block erarbeitet.

Aufgabenstellung

In diesem Projekt wurde einen VW-Kombiinstrument zur Verfügung gestellt. Hauptsichtlich bestand die Aufgabe darin, die Anzeigeelemente des Kombiinstruments anzusteuern. Die Ansteuerung der Anzeigeelemente wie z.B. den Drehzahl-Zeiger sollte mit zwei unterschiedlichen Mitteln erfolgen. Zum einen sollte mit Hilfe des bereitgestellten USB-Seriell-Adapters der Vector Informatik GmbH und der Software CANoe mit dem Kombiinstrument eine Kommuikation aufgebaut werden. Zum anderen sollte das Kombiinstrument mit dem Mikrocontroller Arduino über ein CAN-Shield verbunden werden.

Im Einzelnen sollte das Kombiinstrument eines Volkswagen Passats, die Software Vector CANoe und ein Arduino mit einem CAN-Shield zum Einsatz kommen. Dazu sollte zwischen dem Kombiinstrument und einem CAN-Bus eine Verbindung aufgebaut werden. Bei der Nutzung von CANoe war die Ansteuerung der Anzeigeelemente mit dem Interaktiven Generatorblock vorgesehen. Durch die Verwendung des Arduino sollten Sensordaten gemessen und auf den CAN-Bus gesendet werden. Beispielhaft war die Ansteuerung eines Anzeigeelements mit einem Potentiometer am Arduino vorgesehen.

Die Aufgaben waren in Team zu lösen, und dann die Lösung und den Lösungsweg zu präsentieren und zu dokumentieren.

Es wurde neben dem genannten Equipment ein fertiges Bus-Kabel mit drei Knoten in Form von neunpoligen Sub-D Steckern und den beiden Abschlusswiderständen von 120 Ohm zur Verfügung gestellt. Auch ein Adapter zum Anschluss an die Buchse am Kombiinstrument wurde gestellt. Damit war der direkte Anschluss an ein Labor-Netzteil sowie an den Bus möglich. Diese Peripherie war im Vorjahr im Rahmen eines Kleinprojekts von einem Kommilitonen erstellt worden.

Grundlagen CAN-Bus

Bus-Systeme sollen den Aufwand für die Verkabelung zwischen den Schnittstellen einzelner Komponenten eines Systems verringern. Das zugrundeliegende Prinzip ist, dass alle Komponenten an eine gemeinsame Datenleitung angeschlossen sind. Somit können leicht einzelne Komponenten ausgetauscht oder hinzugefügt werden. Jedoch erfordert die gemeinsame Datenleitung einen geregelten Zugriff mittels eines Protokolls. Die Abkürzung Can steht für Controller Area Network. Der CAN-Bus ist ein ursprünglich für die Verwendung in Automobilen entwickeltes Bus-System. Es kommt gegenwärtig in einer Vielzahl der entwickelten, produzierten und verkauften Fahrzeuge zum Einsatz. Jedoch findet man es heute auch immer häufiger im Einsatz in der Industrie, zum Beispiel in der Automatisierungstechnik von Produktionsanlagen. Das CAN-Protokoll wurde in der zweiten Hälfte der 1980er Jahre von der Firma Bosch entwickelt. Im CAN werden die Komponenten, die in diesem Kontext auch als Knoten bezeichnet werden, über einen 2-Draht Bus miteinander verbunden. Die beiden Leitungen werden als Can-High (CAN-H) und CAN-Low (CAN-L) bezeichnet. Für die elektrische Verbindung wird außer in Fahrzeugen häufig der neunpolige Sub-D Stecker verwendet. Die beiden Busleitungen müssen beidseitig mit einem 120 Ohm Widerstand abgeschlossen werden, um Störungen zu verhindern. Eine Nachricht wird in einer für den CAN-Bus charakteristischen Form aufgebaut, die als Botschaft oder Frame bezeichnet wird. Diese enthält im Wesentlichen sieben Kernfelder, die Anfang und Ende kennzeichnen, Information für den Empfänger zum Beispiel hinsichtlich der Priorität enthalten, Auskunft über die Identifizierung und Länge der Nachricht geben, den Datensatz darstellen und einige Prüfbits. Besonders wichtige Eigenschaften sind die Echtzeitfähigkeit, die Stabilität und Störsicherheit sowie die einfache und kostengünstige Umsetzung.

Benötigte Hardware/Bauteile und Dateien/Software

Kombiinstrument von VW

ArduinoUNO

Nun werden in einer Übersicht die benötigten und verwendeten Komponenten zum Lösen der Aufgabe vorgestellt. Bei Bedarf wird eine kurze Erklärung hinzugefügt. Wenn nichts anderes angegeben ist, wurden die jeweiligen Komponenten im Rahmen des zur Verfügung gestellten Budgets beschafft.

USB-Seriell-Adapter der Vector Informatik GmbH

CAN-BUS shield von SparkFun Electronics®

Hardware-Komponenten und elektrische Bauteile

• VW Passat Kombiinstrument mit Anschlüssen für Stromversorgung und Bus-Schnittstelle; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Labor-Netzteil für 12V DC; Inventar der HSHL
• USB-Seriell-Adapter der Vector Informatik GmbH; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Bus-Kabel mit drei Knoten in Form von neunpoligen Sub-D Steckern und zwei Abschlusswiderständen von 120 Ohm; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Adapter zum Anschluss an die Buchse am Kombiinstrument; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Arduino UNO; Eigentum der Studenten, wurde später ersetzt
• CAN-BUS Shield von SparkFun Electronics®; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Holzplatte für Pult; Reststücke aus dem Eigentum der Studenten
• Flach-Senkkopf Holzschrauben, Kreuzschlitz PZD, 3.5 x 30 mm für das Pult
• USB-Kabel 2.0, Hi-Speed A-St auf B-St, 3m zur Kommunikation zwischen Arduino und PC
• Blitzkabelbinder, 120mm, KNø 3,5mm, natur zur Montage der Leitungen
• Experimentier-Steckboard 640/200 Kontakte
• Drehpotentiometer linear, 10 kOhm, 6 mm
• Kippschalter
• Rote 5mm-LED mit Vorwiderstand, 5 Volt
• Leitungen 0.5 mm; Inventar der HSHL

Software-Komponenten und Dateien

• Vector Informatik GmbH CANoe in der Version 7.6.84; wurde von betreuendem Professor gestellt
• DBC-File für Kommunikation mit dem Kombiinstrument; die Datenbank enthält alle Botschaften mit den jeweiligen Signalen; wurde von betreuendem Professor gestellt
• Can-Library für Arduino; Canbus_v4.zip
• Software Arduino IDE in der Version 1.0.5; freier Download direkt auf der Arduino-Homepage

Konstruktion und Bau eines Pults

Um den Anschluss der Bauteile zu vereinfachen, die Leitungen besser zu ordnen und das Kombiinstrument besser einsehen zu können, wurde ein Holz-Pult gebaut. Die Maße der einzelnen Platten können der technischen Zeichnung entnommen werden. Bei dem Bau wurden die Maße jedoch nicht ganz eingehalten, da die verwendeten Holzplatten aus Reststücken stammen und somit den Gegebenheiten angepasst wurden. Der Ausschnitt musste an einigen Stellen noch mit einem Bohrer und einer Holz-Raspel nachbearbeitet werden, damit eine sichere Fixierung des Kombiinstruments realisiert werden konnte. Zusätzlich wurden einige Bohrungen erstellt, in denen die Fixierung der Leitungen mittels der Kabelbinder erfolgen kann. Auch das Steckboard, der Mikrokontroller und die Bus-Leitung mit den Knoten findet dort Platz. Diese Komponenten wurden bedarfsgerecht mit Schrauben befestigt.

Erläuterungen CANoe

CANoe ist ein Software-Produkt der Vector Informatik GmbH.

CANoe ist eine universelle Entwicklungs-, Test- und Analyseumgebung, die allen Projektbeteiligten während des gesamten Entwicklungsprozesses zur Verfügung steht: Der Systemhersteller wird unterstützt bei der Funktionsaufteilung, Funktionsüberprüfung und Integration des Gesamtsystems; der Zulieferer erhält durch Restbus- und Umgebungssimulation eine ideale Testumgebung.

Der Name CANoe steht für CAN open environment. Das Tool kann zur Entwicklung, Analyse, Simulation, Diagnose, Inbetriebnahme und zum Test einzelner Steuergeräte oder ganzer Steuergerätenetzwerke verwendet werden. Unterstützt werden die Bussysteme CAN, LIN (Local Interconnect Network), FlesRay, Ethernet und MOST (Media Oriented System Transport) sowie einige andere. Die Kerneigenschaften von CANoe sind:

• Empfangen, Analysieren, Senden von Botschaften
• Umfangreiche Standardfunktionen, wie z. B. Datenanzeige, Tracing, Statistik, Logging, uvm.
• Individuelle Erweiterungen durch Programmiersprache CAPL möglich

[…]

• CANdb++ Editor – Werkzeug zum editieren von Datenbasen

Datenbasen enthalten alle für die Kommunikation relevanten Informationen eines CAN-Netzwerks: Botschaften, Signale, Identifier und symbolische Namen. Vector hat dafür das dbc-Format (dbc: Database CAN) definiert, das sehr verbreitet ist. Die Oberfläche von CANoe besteht im Wesentlichen aus drei Fenstern: Die Gruppe der Auswertefenster (u.a. Trace-, Daten-, Grafik- und Statistik-Fenster), ein Messaufbau-Fenster und ein Simulationsaufbau-Fenster. Die Verwendung der einzelnen Funktionen wird bei Bedarf in der Darstellung der Ansteuerung beschrieben.

Mit CANoe ist es möglich, Botschaften mit entsprechenden untergeordneten Signalen an den Kombiinstrument zu schicken und somit die einzelen Anzeigeelemente anzusteuern. Die Simulation enthält also Botschaften mit Signalen, die durch zum Beispiel durch den Interaktiven Generatorblock definiert werden können. Dem Signal kann z.B. ein fester Wert zugewiesen werden oder aber auch eine Sinus-Funktion, die es periodisch ansteuert. Es ist nur notwendig zu wissen, welche Botschaften mit welchen untergeordneten Signalen einen bestimmten Anzeigeelement ansprechen. Daher sind Bibliotheken erforderlich, in denen diese Informationen zu finden sind. Manchmal ist es sogar notwendig mehrere Botschaften zu kombinieren, um ein Anzeigeelement ansteuern zu können.

An dieser Stelle sei auf das sehr hilfreiche Dokument CANoe_Skript.pdf verwiesen, dass von Herrn Prof. Ulrich Schneider zur Verfügung gestellt wurde. In diesem wird das Software-Tool vorgestellt und es wird eine schrittweise Einführung gegeben, die sich sehr gut zum Eigenstudium eignet. Dieses wurde auch zur Erstellung dieser kurzen Einführung genutzt.

Ansteuerung Kombiinstrument mit CANoe

Im folgenden Abschnitt geht es um die Ansteuerung des Kombiinstrumentes mit der Software CANoe. Dazu muss mittels des USB-Seriell-Adapters eine Verbindung des physikalischen CAN-Buses mit dem Computer hergestellt werden. Das Kombiinstrument ist auch mit dem Bus zu verbinden. Die Endknoten bestehen jeweils aus einem 120 Ohm Abschlusswiderstand. An dieser Stelle ein Verweis auf den Artikel CAN-Kommunikation mit Arduino von Jens Henze. In CANoe ist die Erstellung einer Konfiguration erforderlich. Es muss darauf geachtet werden, dass die Baudrate 500 Baud beträgt. Desweiteren ist am virtuellen Bus im Simulationsaufbau ein Interaktiver Generator einzufügen. In diesem können aus der Datenbank einzelne Botschaften importiert werden. Jede Botschaft enthält eine Reihe von Signalen. Der interaktive Generator ermöglicht die Simulation eines jeglichen Signals. So kann zum Beispiel das Drehzahl-Signal folgendermaßen stimuliert werden:

1. Importieren der Botschaft mMotor_1 aus der Datenbank zb.
2. Aufrufen des Fensters der Signal-Definition für das Signal MO1_Drehzahl.
3. Konfigurieren des Sinus-Signals mit einer Amplitude von 4000 und einem Bias von 4000. Der Wert schwingt somit zwischen 0 und 8000.
4. Zeitinkrement der Botschaft aktivieren.
5. Starten des Simulation. Der Drehzahl-Zeiger des Instruments oszilliert zwischen 0 und 8000 Umdrehungen pro Minute.
6. Das Verlauf der Werte und die hexadezimale Botschaft kann im Trace des Messaufbaus eingesehen werden.

Damit im nächsten Schritt das Drehzahl-Signal mittels des Arduinos angesteuert werden kann, müssen für diese Botschaft die hexadezimalen Werte, die ID und die Länge notiert werden. Im Rahmen der Bearbeitung wurde folgende Tabelle aufgestellt, die sämtliche verwendeten Botschaften enthält.

Datenbank	Botschaft	Signal	Beschreibung	Wert min	Data min	Wert max	Data max	ID	Länge
zb	mMotor_1	MO1_Drehzahl	Motordrehzahl	0	FA C0 00 00 00 00 00 00	8000	FA C0 7D 00 00 00 00 00	280	8
KOM_339_PQ46	mBSG_Kombi	BSK_FT_geoeffnet	Türsymbol Fahrertür	Tür auf	00 0F 7F 7F 00	Tür zu	00 00 7F 7F 00	470	5
KOM_339_PQ46	mBSG_Kombi	BSK_BT_geoeffnet	Türsymbol Beifahrertür	Tür auf	00 0F 7F 7F 00	Tür zu	00 00 7F 7F 00	470	5
KOM_339_PQ46	mBSG_Kombi	BSK_HL_geoeffnet	Türsymbol Tür hinten links	Tür auf	00 0F 7F 7F 00	Tür zu	00 00 7F 7F 00	470	5
KOM_339_PQ46	mBSG_Kombi	BSK_HR_geoeffnet	Türsymbol Tür hinten rechts	Tür auf	00 0F 7F 7F 00	Tür zu	00 00 7F 7F 00	470	5
zb	mBremse_2	BR2_mi_Radgeschw	mittlere Radgeschwindigkeit (erfordert mBremse_1)	0	00 00 00 00 00 00 00 28	(entspricht 200)	00 00 6C 00 00 00 00 00	5A0	8
zb	mMotor_2	Mo2_Kuehlm_T	Kühlmitteltemperatur	0	FA 00 0C FF 00 80 00 00	130	FA C5 0C FF 00 80 00 00	288	8
zb	mBremse_1		erforderlich für BR2_mi_Radgeschw		10 F0 01 00 00 30 00 E1	statisch		1A0	8
zb	mAirbag_1		Airbag Kontrollleuchte	nicht ausgelöst	E0 F0 00 FF	statisch		50	4
zb	mBremse_8		Bremse Kontrollleuchte und Signalton	ohne Störung	00 80 7F 7F 69 A1 00 C2	statisch		1AC	8

CAN-BUS Shield von SparkFun Electronics®

Pin-Belegung am CAN-BUS shield

Schaltplan des CAN-BUS shields

An dieser Stelle wird das verwendete CAN-Shield des Herstellers SparkFun Electronics® vorgestellt. Die Arduino-Community beschreibt Arduino-Shields im Allgemeinen folgendermaßen:

Shields are boards that can be plugged on top of the Arduino PCB extending its capabilities. The different shields follow the same philosophy as the original toolkit: they are easy to mount, and cheap to produce.

Die Shields sind also Platinen, die zur Erweiterung der Funktionen oder Möglichkeiten auf die Oberseite eines Arduino gesteckt werden können. Die unterschiedlichen Shields verfolgen dabei das gleiche Ziel: Einfach in der Anwendung und Verbindung sowie günstig in der Produktion. Es gibt auch viele solcher Shields, die von anderen Herstellen angeboten werden. So ist das CAN-Shield ein Produkt der Firma SparkFun Electronics®. Es wird in Zusammenarbeit mit SK Pang Electronics vertrieben. Dieses ermöglicht es, mit einem Arduino in einem CAN-Bus zu kommunizieren. Somit kann der Mikrokontroller sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden. Es kommt ein MCP2551 CAN-Kontroller mit einem MCP2551 CAN-Empfänger zum Einsatz. Es stehen ein neunpoliger SUB-D-Anschluss, ein microSD-Kartenslot und andere Peripherie zur Verfügung. Desweiteren können die Signale HIGH und LOW für den Can-Bus direkt auf der Platine abgegriffen werden. Dazu wurde ein Stück einer Buchsenleiste auf die Platine aufgelötet. Desweiteren müssen zur Verwendung mit einem Arduino einige Stiftleisten angebracht werden. Dies geschieht mittels Löten bei circa 320°C.

--Ulrich Schneider (Diskussion) 11:34, 24. Jan. 2014 (CET)

• Link zu Datenblättern fehlen.
• Auf der Skizze liegt CAN-L an Pin 5. Sie Schreiben jedoch PIN 1. Was ist richtig?

Ansteuerung Kombiinstrument mit Arduino

Nachdem das Kombiinstrument mit CANoe angesteuert worden ist und für die zu sendenden Botschaften die Werte, die ID sowie die Länge herausgefunden wurden, können die Anzeigen nun mit dem Arduino Uno angesteuert werden. Dazu wird, wie bereits oben ersichtlich, das CAN-BUS Shield verwendet. Zur Ansteuerung ist das Einbinden der oben genannten Bibliothek (engl. Library) notwendig. Dieses kann auf zwei Arten geschehen. Erstens bietet die Arduino-IDE eine entsprechende Funktion, die über Sketch\Library importieren\Add Library aufgerufen werden kann. Dort wählt man einfach das Download-Verzeichnis als Quelle aus. Alternativ kann der Ordner direkt in den entsprechenden Pfad für die Arduino-Libraries kopiert werden.
Im Folgenden soll erläutert werden, wie eine konkrete Botschaft mit dem Arduino an das Kombiinstrument gesendet werden kann. Als Beispiel wird die Ansteuerung des Drehzahlmessers mit einem Potentiometer gezeigt. Für die Nutzung des CAN-BUS Shields müssen nun die entsprechenden header-Dateien eingebunden werden.

#include <Canbus.h>
#include <defaults.h>
#include <global.h>
#include <mcp2515.h>
#include <mcp2515_defs.h>

Desweiteren ist es erforderlich, dass für die zu sendenden Botschaften im Voraus Arrays deklariert werden. Dies kann zum Beispiel so aussehen:

unsigned char txBufferDrehzahl[8];

Außerdem müssen zum Einlesen von Senoren, wie zum Beispiel eines Potentiometers, Variablen für den Port und den einzulesenden Wert angelegt werden. Hier eine Möglichkeit:

// Arduino Pins
int PotiPin=0; // Poti connected to analog pin 0
int TastPin=5; // Taster connected to digital pin 5
[…]
// Variablen
int valPoti=0;

In der Funktion void setup() muss für jeden verwendeten digitalen Anschluss der Modus festgelegt werden, das heißt ob er als Eingang oder Ausgang verwendet wird.

void setup(){
[…]
  // Pin Modus: OUT or IN
  pinMode(ledPin,OUTPUT);
  pinMode(TastPin,INPUT);
}

Für das Senden von CAN-Botschaften ist in der Bibliothek die Funktion mcp2515_send_message(&message) definiert. Die zu sendende Botschaft (message) stellt eine Struktur-Variable dar, die aus der ID, dem Header mit der Länge und dem Array mit den Signalen besteht. Es empfiehlt sich zur einfacheren Programmierung eine Funktion zu schreiben, die als Parameter die ID, die Botschaftlänge und das Array mit den einzelnen Bytes übergeben bekommt. Das RTR-Bit kann als default-Wert eins gesetzt werden. Diese Funktion übernimmt das Erstellen der Struktur-Variable und sendet diese mit der oben genannten Funktion des CAN-BUS Shields. Eine mögliche Lösung sieht so aus:

// Sende Funktion
void CanBus_send(int ID, int laenge, unsigned char *Botschaft)
{
  tCAN message; //struct Variable anlegen
  message.id=ID; //ID
  message.header.rtr=0; 
  message.header.length=laenge; //Bit-Anzahl
  
  //Bits in Nachricht speichern
  for (int i=0;i<laenge;i++)
  {
     message.data[i]=Botschaft[i]; 
  }
  
  //Funktion aus Bibliothek zum Senden der struct-Variable mit der Botschaft
  mcp2515_send_message(&message);
}

In der Endlosschleife (void loop()) sind nun folgende Schritte notwendig:

1.Einlesen der Sensoren und speichern des Wertes in einer Variablen; ggf. Skalierung des Wertes

Void loop () {
// Potis einlesen
valPoti=analogRead(PotiPin)/8;

2.Erstellen des Daten-Arrays für die Botschaft, dabei muss jedes Byte separat gesetzt werden

// Botschaften erstellen
[…]
     // Drehzahl
    txBufferDrehzahl[0]=0xFA; 
    txBufferDrehzahl[1]=0xC0; 
    txBufferDrehzahl[2]=0x00; 	//LSB Drehzahl
    txBufferDrehzahl[3]=valPoti; 	//MSB Drehzahl
    txBufferDrehzahl[4]=0x00; 
    txBufferDrehzahl[5]=0x00; 
    txBufferDrehzahl[6]=0x00; 
    txBufferDrehzahl[7]=0x00; 

3.Senden der Botschaft mit der zuvor erstellten Funktion; ID und Botschaftlänge müssen bekannt sein

    CanBus_send(0x280,8, txBufferDrehzahl);

Reflexion – Was haben wir gelernt

Im Rahmen des Elektrotechnik-Fachprakikums besonders in diesem Projekt war uns möglich gelernte Grundlagen ,wie z.B. die Programmierung von Mikrocontrollern, in der Praxis umzusetzen.

Allerdings war es notwendig den Umgang und die Bedienung von eingesetzten Software ,in diesem Fall CANoe, zu lernen. Daher erschienen uns Die Lösungsansätze beim Einstieg etwas unklar mit Hilfe unserer Dozenten und Hochschul-wissenschaftlichen Mitarbeitern ,könnten wir diese Phase schaffen.

Mit CANoe kann man eine Simulationen aufbauen, diese enthalten Konfigurationen von Botschaften und Signalen. Die Ansteuerung der Anzeigeelemente des Kombiinstruments erfolgt durch Sendung der Simulationsdaten über den Vector-CAN an den Kombiinstrument.

Anderseits kann die Ansteuerung mit Arduino und CAN-Bus-Shield erfolgen.....................................................................................................................................

Weiterführende Weblinks

• Artikel von Jens Henze CAN-Kommunikation mit Arduino (Abruf: 22.01.2014) Achtung: Zugangsberechtigung erforderlich! [4]
• Bedienungsanleitung zu CANoe (Abruf: 19.11.2013) [5]
• Beschreibung des CAN-BUS Shields (Homepage von SparkFun Electronics®)[6]
• Homepage der Arduino-Community [7]
• Homepage der Hochschule Hamm-Lippstadt [8]