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2 Grundlagen 1 2 3 4 5

2 Grundlagen 1 2 3 4 5 5x NRZ Bits High Bit Stuffing Low Abbildung 2.1: Beispiel für einen Bit-Stuffing-Vorgang. Man sieht fünf aufeinanderfolgende Bits, an die ein Bit-Stuffing-Bit mit gegenteiliger Polarität angefügt wird, damit alle Teilnehmer sicher eine neue Flanke erhalten, an der sie sich synchronisieren können. 2.1.2 Physische Schicht Generell werden Netzwerkprotokolle entsprechend ihrer Aufgabenbereiche in verschiedene Schichten unterteilt. Die physische Schicht hat die Aufgabe des Bittransfers und ist für den CAN-Bus in ISO 11898 definiert. Hier wird auf die wesentlichen Aspekte eingegangen, die einen direkten Einfluss auf die Programmierung haben. Non-Return-To-Zero (NRZ) Die Bits werden mit NRZ codiert. Dies bedeutet, dass innerhalb eines Bits keine Flanken auftreten. Um hier nun doch Flanken für die Synchronisierung des Signals zu gewinnen, werden über die Bit-Stuffing-Technik beim Senden zusätzliche Bits zur Erzeugung von Flanken eingefügt, die beim Empfang ausgeblendet werden. Wie in Abbildung 2.1 dargestellt, wird immer dann ein Bit- Stuffing-Bit mit entgegengesetzter Polarität eingeschoben, wenn fünf aufeinanderfolgende Bits identisch waren. [2] Bit-Timing und Synchronisation Ein Bit ist eine nicht weiter zerlegbare Informationseinheit. Der Begriff Bit wird hier als übertragene Informationseinheit verwendet, jedoch entgegen der eigentlichen Bedeutung noch weiter unterteilt. Die Übertragung eines Bits teilt sich in vier Segmente 1 , die unterschiedlich viele Zeiteinheiten (Time Quant, TQ) in Anspruch nehmen. Die Länge einer Zeiteinheit wird dabei durch den Bitrate-Prescaler (BRP) bestimmt, der einen Wert von mindestens 1 und maximal 64 haben darf. Ein Bit besteht aus mindestens 8 TQ und maximal 25 TQ. Dies ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass die vier Segmente in Summe aus mindestens 8 TQ und maximal 25 TQ bestehen. [6] 1 Auf die vier Segmente wird später eingegangen. Hier sei nur nochmal betont, dass diese vier Segmente zusammen ein Bit ausmachen, also tatsächlich jedes einzelne Bit unterteilt wird. 3

2 Grundlagen Eine Zeiteinheit (TQ) ist eine Zeitdauer, die sich nach dem Mikroprozessortakt (Clock) und nach Bitrate-Prescaler (BRP) richtet. Der Bitrate-Prescaler ist eine Einheitenlose Zahl. Da der Mikroprozessortakt festgelegt ist, richtet sich die Zeitdauer der Zeiteinheit (TQ) nach dem Bitrate-Prescaler. Die Länge einer TQ errechnet sich aus der Schwingungsdauer des Mikroprozessortaktes multipliziert 2 mit dem Wert des Bitrate- Prescalers. Beispielsweise wäre die Länge eines TQ bei einer Clock von 16 MHz und einem BRP von 10 gleich 625 ns. Für die weitere Betrachtung ist es nur wichtig zu wissen, dass TQ eine Konstante eines Teilnehmers ist, der die Segmente unterteilt. [3] [11] Das Synchronisationssegment ist immer das erste Segment und genau eine Zeiteinheit lang. Dies ist das Segment, auf das sich alle Teilnehmer hin synchronisieren. [3] Das zweite Segment ist das Propagation-Segment. Dieses Segment bildet eine kleine Pause, die den anderen Teilnehmern genügend Zeit lassen soll, sich auf das Synchronisationssegment einzustellen, welches – bedingt durch die Ausbreitung im Leiter – zeitlich versetzt bei den Teilnehmern ankommt. Das Propagation-Segment muss mindestens 1 TQ und darf maximal 8 TQ lang sein. [3] Die beiden weiteren Segmente sind zwei Puffersegmente, die den Entnahmepunkt (Samplingpoint) umgeben, um dem Sampling den nötigen Freiraum für das Einstellen des Signals zu geben. Jedes der Puffersegmente muss mindestens 1 TQ und darf maximal 8 TQ lang sein. Das Puffersegment 2 darf außerdem nicht mehr Zeiteinheiten (TQ) lang sein als das Puffersegment 1. [3] Aus den oben erläuterten Zusammenhängen lassen sich die (zwingend übereinstimmenden) Bitraten der Teilnehmer berechnen. Wie in Abbildung 2.2 erkennbar ist 3 , wird die Clock durch den Prescaler in Zeiteinheiten (TQ) unterteilt, die dann den Phasen als Bitquanten zur Verfügung stehen. Der mathematische Zusammenhang ist in Gleichung 2.1 gezeigt. Bitrate [kBps] = Clock [kHz] BRP · (T Q Sync + T Q Prop + T Q PHS1 + T Q PHS2 ) [ 1/Bit] (2.1) In der Anwendung muss auf das Datenblatt des jeweiligen Bausteins Rücksicht genommen werden. Es ist üblich, nicht den realen Wert einer Größe, sondern den um eins verringerten Wert zu speichern, um die Bits besser nutzen zu können. In der Praxis startet man mit der Wunschbitrate und der Mikroprozessortaktung und legt danach die einzelnen Phasen fest. 2 Der BRP unterteilt die Clock. Erst von dieser neuen Schwingung bildet man die Schwingungsdauer. Dies ist rechnerisch identisch mit T TQ = T Clock · BRP 3 Die dargestellte Aufteilung hat einen BRP von 2, die Summe der Segmentquanten ist 9 und würde deshalb bei einem Mikrocontrollertakt von 1,8 MHz zu einer Übertragungsrate von 100 MBps führen. 4

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