vorgelegt von:
Sascha Adrian
Arvid Hager
Frank Langkabel

am 27.3.2009

Referent:
Professor Dr. Ing. Jürgen Apfelbeck

Vorwort

Die vorliegende Projektarbeit wurde im Wintersemester 2008/2009 von Studierenden der Fachhochschule Wiesbaden in Rüsselsheim im Rahmen ihrer Ausbildung zum Diplom-Ingenieur FH (Dipl. - Ing (FH)) Elektrotechnik erstellt.
An der Projektgruppe waren beteiligt: Sascha Adrian, Arvid Hager und Frank Langkabel.
Im Rahmen des Forschungsprojektes „Car to Car Communication“  hatte sich die Projektgruppe zum Ziel gesetzt,  ein FPGA- Evaluation Board zu entwickeln, welches die Kommunikation zwischen einer kryptografischen Einheit und dem CAN Bussystem im Automobilbereich ermöglicht.
Das Thema Car to Car Communication ist für die Automobilbranche von zunehmender Bedeutung, da es viele neue, insbesondere sicherheitstechnische Innovationen verspricht.
Ein FPGA Evaluation Board mit CAN- Schnittstelle ist hierbei zu Testzwecken besonders geeignet, da man es über den CAN- Bus direkt an ein Fahrzeug anbinden und auf der anderen Seite mittels der USB- Schnittstelle programmieren kann.
Wir bedanken uns bei allen von uns angeschriebenen oder bei der Electronica 2008 kontaktierten Firmen und Einrichtungen, die uns beratend unterstützt  bzw.  Informationsmaterial oder Samples zur Verfügung gestellt haben.
Unser Dank gilt insbesondere unserem Projektbetreuer, Herrn Professor Dr.-Ing. Apfelbeck für die immense und verständnisvolle Unterstützungsarbeit während des gesamten Entwicklungszyklus sowie bei Herrn  Professor Dr.-Ing. Hoffmann, der sich  immer Zeit für uns genommen hat, wenn es zu Problemen im Bereich der EMV kam.
Des Weiteren möchten wir den technischen Mitarbeitern an der Fachhochschule Wiesbaden, Herrn Christian Hottum, Herrn Matthias Blüm und Herrn Henning Wirbs danken, dass wir ihre Nerven so strapazieren durften.

Rüsselsheim, den 27. März 2009

Inhaltsverzeichniss

• 1. Einleitung
  • 1.1 Motivation
  • 1.2 Inhalte der Arbeit
  • 1.3 Anforderungen an das System
• 2 Spartan 3E XC3S500E FPGA
  • 2.1 Sparkfun Spartan 3E Breakout Board
• 3 Hauptplatine
  • 3.1 Programmierung
    • 3.1.1 Beteiligte Pins
    • 3.1.2 Steckerbelegungen
  • 3.2 CAN
• 4 Spannungsversorgung
  • 4.1 Geplante Realisierung
    • 4.1.1 Dimensionierung des Festspannungsreglers LT1084CT-5
    • 4.1.2 Dimensionierung des TPS 75003 Controllers von Texas Instruments
    • 4.1.3 Dimensionierung der Buck Controller und des LDO Controllers
      • 4.1.3.1 Dimensionierung der Buck-Controller
      • 4.1.3.2 Dimensionierung des 150mA LDO-Controllers
  • 4.2 Praktische Realisierung der Spannungsversorgung
    • 4.2.1 Dimensionierung der einzelnen Festspannungsregler
      • 4.2.1.1 Dimensionierung des LTC1084-5
      • 4.2.1.2 Dimensionierung des LT1085CT-3.3
      • 4.2.1.3 Dimensionierung des LP38842T-1.2
      • 4.2.1.4 Dimensionierung des MCP1824ST
• 5 USB Anbindung
  • 5.1 Beschaltung des FT_2232D
  • 5.2 Spannungsversorgung
  • 5.3 USB Anschlüsse
  • 5.4 Oszillator
  • 5.5 EEPROM
  • 5.6 3V3OUT, TEST und PWREN#
  • 5.7 Die Ausgangsports
  • 5.8 Konfiguration des FPGA
    • 5.8.1 Einleitung
    • 5.8.2 Modus
    • 5.8.3 Unterbrechen der Konfiguration
    • 5.8.4 Weitere für die Konfiguration relevante Pins
      • 5.8.4.1 INIT_B
      • 5.8.4.2 HSWAP
      • 5.8.4.3 CCLK
      • 5.8.4.4 Daisy Chain
    • 5.8.5 Logikanpassung
• 6 CAN Anbindung
  • 6.1 Entwicklung und Spezifikationen
  • 6.2 Spezifikation
  • 6.3 Dokumentation CAN Bausteine
    • 6.3.1 High-Speed CAN Transceiver MCP2551
    • 6.3.2 Pin Descriptions
      • 6.3.2.1 Transmit Data Input (TXD)
      • 6.3.2.2 Receive Data Input (RXD)
      • 6.3.2.3 CANH und CANL Pin
    • 6.3.3 Direkte Ansteuerung des MCP2551 ohne Einsatz des CAN Controllers MCP2515
    • 6.3.4 Stand-Alone CAN Controller mit SPI Interface MCP2515
    • 6.3.5 Schaltungsaufbau
    • 6.3.6 OCTAL BUS TRANSCEIVER AND 3.3-V TO 5-V SHIFTER WITH 3-STATE OUTPUTS
• 7 Fazit
• 8 Abbildungsverzeichnis
• 9 Tabellenverzeichnis
• 10 Literaturverzeichnis

1.    Einleitung

1.1    Motivation

Die Verkehrsdichte auf unseren Straßen hat in den letzten Jahren immens zugenommen. Das Automobil, das von Carl Benz im Jahre 1886  erfunden und entwickelt worden ist, hat sich zu einem Massenprodukt entwickelt, das aus der heutigen Lebenswirklichkeit nicht mehr wegzudenken ist. Überlastete Straßen, durch den Transitverkehr geprägte Autobahnen und Schnellstraßen bestimmen die Verkehrssituation auf den Schnellstraßen und Autobahnen der Industrienationen.
Nach Zahlen der World Health Organization (Weltgesundheitsorganisation, WHO) sterben jährlich mehr als 1,2 Millionen Menschen an den direkten Folgen von Verkehrsunfällen. Findige Entwickler versuchen, mehr Sicherheit in den Straßenverkehr zu bringen.  Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit der Verkehrsteilnehmer haben dazu beigetragen, dass  zum Beispiel  in Deutschland die Zahl der Verkehrstoten von ca. 21.000 im Jahre 1971 auf 4.467 im Jahre 2008 gesunken ist. Das ist der niedrigste Stand seit Einführung dieser Statistik in Deutschland.
Ursache für diesen Rückgang ist unter anderem die ständige Forschung und Weiterentwicklung von Sicherheitssystemen.
Sicherheitssysteme moderner Automobile lassen sich grundsätzlich in zwei verschiedene Bereiche unterteilen. Passive Sicherheitseinrichtungen sollen, falls ein Unfall sich nicht mehr vermeiden lässt, dessen Folgen mildern. Dazu gehören zum Beispiel der Sicherheitsgurt, die Kopf- und Nackenstütze, Gurtstraffer, Airbag oder Knautschzone. Aktive Sicherheitseinrichtungen hingegen sollen einen Unfall vermeiden oder abmildern. Hierzu gehören beispielsweise das Anti-Blockier-System ABS oder das Elektronische Stabilitätsprogramm ESP.

1.2    Inhalte der Arbeit

Diese Arbeit beschäftigt mit dem Thema „Car to Car Communication“, die sich zum sicherheitstechnischen Ziel gesetzt hat, dem Fahrer frühzeitig gefährliche Situationen zu melden.
Somit sollen zum Beispiel Auffahrunfälle am Stauende vermieden werden, der Mindestabstand kontrolliert werden, die Verkehrsflussdichte optimiert werden oder sogar das Infotainment optimiert werden.
Die technische Grundlage der bildet der WLAN Standard IEEE 802.11. Aufgrund der erhöhten Sicherheitsanforderungen im Automobilbereich ist eine sichere und fehlerfreie Übertragung notwendig. 

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Car to Car Communication“ an der FH Wiesbaden unter Leitung von Prof. Dr. Jürgen Apfelbeck wurde eine FPGA Platine erstellt, welche die Kommunikation zwischen einer kryptografischen Einheit und dem CAN-Bussystem im Automobil zu Forschungszwecken steuern soll.

1.3    Anforderungen an das System

Als Grundlage wurde ein flüchtiger FPGA vom Typ Spartan 3E verwendet, da dieser Typ bereits feste Multiplizierer enthält. Der FPGA stellt hierbei eine besonders flexible Möglichkeit dar, um ein Programm oder gar eine Schaltung zu testen. Auch stehen mit ihm die Vorteile,  wie zum Beispiel eine höhere Geschwindigkeit gegenüber einem herkömmlichen Mikrocontroller zur Verfügung. Dies ist insbesondere dann von Vorteil im Hinblick darauf, dass es bei dem Forschungsprojekt um aufwändige mathematische Berechnungen geht. Ein FPGA ist in der Lage Informationen parallel zu verarbeiten. Um höhere Kosten zu vermeiden und die Platine intern erstellen zu können, wurden drei unterschiedliche Platinen hergestellt. Eine Platine stellt die Spannungsversorgung des FPGA und der CAN Adapter dar, eine weitere Platine sorgt für die Kommunikation zwischen FPGA und dem CAN Bussystem über eine RS232 Schnittstelle und eine dritte Platine beinhaltet den FPGA selbst. So können die einzelnen Platinen individuell eingesetzt, bzw. später einmal erweitert werden. Die Programmierung, bzw. das Auslesen des FPGA, sollte zuerst über eine USB Schnittstelle mit dem PC realisiert werde, dieses Vorhaben wurde dann aber durch die Projektgruppe aus Kostengründen nicht realisiert. Die Programmierung erfolgt nun über JTAG direkt mit dem FPGA.  Die komplette Planung der USB Schnittstelle wird im folgenden Bericht erläutert und dargestellt.

Weiterführende Dateien:

Download der Dokumentation (pdf)

Bilddokumantation über die verschiedenen Entwicklungsphasen: