Bussysteme

Das OBP60 unterstützt mehrere Bussysteme. In diesem Kapitel geht es ausschließlich um die Vernetzung der Komponenten. Die dafür notwendige Software-Konfiguration finden Sie im darauf folgenden Kapitel Datenaustausch.

• NMEA2000 über CAN-Bus (isoliert)

• NMEA0183 über RS485/RS422-Bus (isoliert)

• I2C-Bus (isoliert)

• 1-Wire-Bus (nicht isoliert)

• USB-C (nicht isoliert)

Abb.: Anschlussbelegung der Bussysteme

NMEA2000 und NMEA0183 sind Bussysteme, die im Marine-Bereich verwendet werden. Der I2C-Bus und der 1Wire-Bus kommen aus dem Elektronikbereich. Darüber lassen sich viele günstige Sensor-Module einbinden. Im Nachfolgenden werden die jeweiligen Bussysteme näher beschrieben.

NMEA2000

NMEA2000 ist ein Bussystem und dient der Datenübertragung zwischen elektronischen Geräten in der Schifffahrt. NMEA2000 verwendet CAN zur Datenübertragung. Die Übertragung erfolgt über ein zentrales Kabel, an das alle Geräte parallel angeschlossen sind. Jedes Gerät im NMEA2000-Netzwerk hat eine eindeutige Geräte-ID, um Datenquellen und Datenanzeigegeräte zu identifizieren und zu adressieren. Daten werden in Parameter Group Numbers (PGN) organisiert. PGN sind eindeutige Daten-IDs, um bestimmte Typen von Daten zu beschreiben, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Kurs, Temperatur usw. Alle Geräte können PGN empfangen und senden, auch kann festgelegt werden, welche PGN von einem bestimmten Gerät gesendet oder empfangen werden sollen.

Spezifikation NMEA2000 im OBP60

• Differenzielles, bidirektionales Datenprotokoll auf Binär-Basis

• Halb duplex mit Kollisionserkennung und Vermeidung

• Busstruktur (isoliert)

• Beidseitige Bus-Terminierung

• Unterstützte Protokolle

  • CAN (Standard, mit speziellen Datenpaketen)

• Datenrate 250.000 Bit/s fix

• Stromversorgung von Sensoren und Anzeigegeräten über den Bus

• Buslänge bis zu 30 m (Stichleitungen <1.5 m)

• Kabelart 5-polig geschirmt mit 2x2 verdrillten Leitungen 0,35 mm²

• Steckerart M12 5-polig A-kodiert

Differenzielle Datenübertragung

Die Datenübertragung auf dem CAN-Bus erfolgt differenziell. Es werden jeweils zwei Signale mit entgegengesetzter Polarität vom Sender übertragen, die im Empfänger durch Subtraktion der beiden Signalen wieder zu einem Einzelsignal zusammen gefügt werden. Störungen, die sich in gleicher Weise auf beide Signalleitungen auswirken, werden durch die Subtraktion im Empfänger eliminiert. Dadurch wird eine robuste und störunanfällige Signalübertragung ermöglicht.

Abb.: Differenzielle Datenübertragung (rot CAN-H, blau CAN-L)

Die Datenrate von NMEA2000 beträgt 250 kbps. Sie wurde gewählt, um eine ausreichend hohe Übertragungsgeschwindigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen in Booten zu gewährleisten, während gleichzeitig eine möglichst effiziente Nutzung des Netzwerks sichergestellt wird. Mit einer Datenrate von 250 kbps können Sensordaten in Echtzeit übertragen werden, was für eine Vielzahl von Anwendungen wichtig ist, z.B. für die Überwachung der Schiffsposition, für Navigations- und Kommunikationsgeräte, Motorsysteme und weitere Systeme an Bord.

Bemerkung

SeaTalk NG, SIMnet, Raynet, C-Net 2000 und CANet haben einige Ähnlichkeiten zu NMEA2000. Sie unterscheiden sich jedoch durch ihre spezifische Auslegung der Hardware und der Datentelegramme. SeaTalk NG und SIMnet sind teilweise kompatibel mit NMEA2000. Das bedeutet, dass einige Geräte, die für SeaTalk NG und SimNet entwickelt wurden, mit Abstrichen auch mit NMEA2000-Geräten kommunizieren können.

Terminierung des Bussystems

Ein CAN-Bus verwendet an den beiden Enden des Bussystems Abschluss-Widerstände von 120 Ohm zwischen den Leitungen CAN-H und CAN-L. Die beiden Abschluss-Widerstände entsprechen dem Leitungswiderstand von 120 Ohm und verhindern Signalreflexionen an den Leitungsenden bei hohen Datenübertragungsraten. Der CAN-Bus besteht aus einem langen Busstrang (Backbone) mit kurzen Stichleitungen kürzer als 1.5 m. Eine Sternstruktur des Bussystems ist nicht erlaubt. Die beiden Abschluss-Widerstände dürfen nur am Busende verbaut sein.

Abb.: CAN-Bus-Terminierung für NMEA2000 über T183

Warnung

Einige Geräte besitzen eingebaute Abschluss-Widerstände, die durch entsprechende Schalter zu- oder abgeschaltet werden können. Vergewissern Sie sich vor dem Einfügen neuer Geräte in Ihr NMEA-2000-Netzwerk, ob integrierte Abschluss-Widerstände benutzt werden und wie sie konfiguriert sind. Falsch terminierte Busse können Übertragungsprobleme verursachen, die schwer zu finden sind.

Tipp

Um herauszufinden, ob nur zwei Widerstände im NMEA-Bus aktiv sind, können Sie ein Digitalvoltmeter benutzen. Wenn Sie eine Widerstandsmessung bei spannungslosen NMEA-Bus zwischen den Leitungen CAN-High und CAN-Low vornehmen, sollte ein Widerstand von ca. 60 Ohm zu messen sein. Ist der Widerstand deutlich kleiner als 60 Ohm, sind weitere Geräte im Bussystem vorhanden, deren Abschlusswiderstände fälschlicherweise aktiv ist. Trennen Sie, während Sie laufend weiter den Widerstand messen, nacheinander ein Gerät nach dem anderen vom NMEA2000-Bus, bis sich der Widerstandswert deutlich erhöht. Beim zuletzt entnommenen Gerät sollte der Abschlusswiderstand deaktiviert werden. Ist der Widerstandswert danach noch immer nicht bei 60 Ohm, suchen Sie nach weiteren Geräten mit offensichtlich aktiviertem Abschlusswiderstand.

NMEA2000-Kabel

Als Buskabel sollten nur hochwertige, wasserdichte und geschirmte Industrie-Kabel verwendet werden. Der Marine-Einzelhandel bietet dazu eine breite Auswahl an Produkten mit M12-Verbindungstechnik an, die sehr gut geeignet sind.

Tipp

Im Industriebereich findet man gleichwertige Kabel mit M12-Verbindungstechnik, die deutlich günstiger sind und ebenfalls verwendet werden können. Achten Sie dabei auf Steckverbinder mit A-Kodierung. Die Indexkerbe befindet sich zwischen Pin 1 und 2.

Abb.: Stecker und Buchse (Sicht auf Kontakte)

Die Belegung und Aderfarben sind in der nachfolgenden Tabelle zu sehen. Beachten Sie, dass die Farbbelegung bei Industriekabeln anders ausfallen kann. In dem Fall müssen Sie die Zuordnung der Aderfarben zu den Pins mit einem Ohmmeter ermitteln.

Pin	Belegung	Farbe	Bedeutung
1	Schirmung	ohne	Schirmgeflecht
2	+12V	rot	Versorgungsspannung
3	GND	schwarz	Bord-Masse
4	CAN-H	weiß	CAN High-Signal
5	CAN-L	blau	CAN Low-Signal

Tab.: NMEA2000 Steckerbelegung

Abb. NMEA2000-Buskabel mit Schirmung

Wer eigene Buskabel herstellen möchte, sollte Kabel vergleichbar zum Typ „Lapp Busleitung UNITRONIC 2 x 2 x 0.34 mm²“ verwenden.

Abb. CAN-Buskabel

Dabei sind 2x zwei Einzeladern paarweise verdrillt und zusätzlich mit einem äußeren Schirmgeflecht umgeben. Ein verdrilltes Aderpaar wird für CAN-H und CAN-L verwendet und das andere Aderpaar für GND und 12V. Das Schirmgeflecht wird mit GND an nur einem Kabelende verbunden. Damit erzielt man die besten Ergebnisse und hat eine sichere und langlebige Installation. Dünnere Kabel als 0.34 mm² sollten nicht verwendet werden, wenn die Versorgung aus dem Bus erfolgen soll. Die Länge des Buskabels sollte in Summe 30 m nicht übersteigen.

Abb.: NMEA2000 Stecker zur Selbstmontage

Bemerkung

SeaTalk NG und Simnet benutzen eigene Steckverbinder, die untereinander nicht zu NMEA2000 kompatibel sind. Mit entsprechenden Konverter-Kabeln kann aber ein Datenaustausch zwischen diesen Netzen vorgenommen werden. Grundsätzlich sollte eine Mischung verschiedener Bustechnologien aber vermieden werden.

Stromversorgung aus dem NMEA2000-Bus

NMEA2000-Geräte mit geringem Stromverbrauch wie z.B. Sensoren können auch aus dem Bussystem mit Strom versorgt werden. So sind keine zusätzlichen Versorgungskabel notwendig. Allerdings ist darauf zu achten, dass aus dem NMEA2000-Bus nur eine begrenzte Leistung von bis zu 35W entnommen werden darf. Die NMEA2000-Geräte sind dazu mit Load-Werten gekennzeichnet, die die Stromentnahme aus dem Bus angeben. Die Load wird als Vielfaches von 50 mA angegeben. Ein Gerät mit Load 3 würde demnach 150 mA an 12V benötigen und 1,8 W an Leistung verbrauchen. Die Einspeisung der 12V-Versorgungsspannung in den NMEA2000-Bus erfolgt entweder über ein Einspeisekabel oder ein Gerät mit Buseinspeisung, zum Beispiel einen Plotter. Die Einspeisung in den Bus sollte idealerweise in der Mitte erfolgen, da so Leitungsverluste durch Leitungswiderstände minimiert werden.

Bemerkung

Das OBP60 hat einen Load-Wert von 5 und benötigt maximal 250 mA Strom. Sie können das OBP60 direkt mit Strom aus dem NMA2000-Bus versorgen. Im Normalbetrieb liegt der Stromverbrauch des OBP60 bei ca. 120 mA.

Verkabelung für NMEA2000

Für NMEA2000 wird eine Busstruktur verwendet. Im Hauptstrang sind eine oder mehrere Buskoppler-Einheiten enthalten, über die die jeweiligen Geräte eingebunden werden. Die Buslänge darf 30 m nicht übersteigen und die Stichleitungen zu den Geräten sollte nicht länger als 1.5 m sein. An den Enden des Hautstrangs befinden sich Abschlusswiderstände zur Bus-Terminierung. Die Einspeisung der Stromversorgung des NMEA2000-Busses erfolgt im unteren Bild über den Plotter.

Abb.: NMEA2000-Bussystem mit Sensoren und Anzeigegeräten

Um das OBP60 an den NMEA2000-Bus anzuschließen, können Sie am einfachsten ein NMEA2000-Verlängerungskabel benutzen, indem Sie es in der Mitte trennen und die offenen Kabelenden an den Schraubklemmen auflegen. Es ist ratsam, die Kabelenden mit Aderendhülsen zu versehen oder die Kupferkabel zu verzinnen.

Abb.: NMEA2000-Verbindung mit Stromversorgung über den NMEA2000-Bus

Eine Minimal-Konfiguration könnte folgendermaßen aussehen. Dabei ist zu beachten, dass der NMEA2000-Bus auf der rechten Seite durch das OBP60 terminiert ist, indem die interne Bus-Terminierung über den Jumper TN2K aktiviert wurde. Der Jumper TN2K befindet sich mittig zwischen den beiden Steckverbindern CN1 und CN2.

Bemerkung

Legen Sie den Schirm des NMEA2000-Kabels am Eingang Shield auf. Verbinden Sie den Schirm nicht mit GND, GND2 oder GNDS, da Sie damit Masseschleifen erzeugen und die Isolationswirkung verloren geht. Der gesamte Schirm der Busleitung darf nur einseitig am Eingang Shield des NMEA2000-Bus am OBP60 aufgelegt werden. An anderen Stellen darf die Kabelschirmung nicht verbunden werden.

Abb.: NMEA2000 Minimal-Konfiguration mit einem Sensor

Die Stromversorgung des NMEA2000-Bus kann auch über das OBP60 erfolgen. Die Einspeisung in den Bus sieht dann so aus:

Abb.: NMEA2000-Verbindung mit Stromeinspeisung über OBP60

Warnung

Beachten Sie, dass der NMEA2000-Bus nur von einer Quelle gespeist sein darf. Anderenfalls kann es zu Störungen im Bussystem kommen. Achten Sie darauf, dass die Stromeinspeisung in den Bus mit einer 3A-Sicherung abgesichert ist.

Das folgende Bild zeigt ein mögliches Anwendungsbeispiel. Die Bus-Terminierung ist dabei im OBP60 deaktiviert, sie wird am Busverteiler vorgenommen.

Abb.: NMEA2000 Minimal-Konfiguration mit Buseinspeisung

Kompatibilität zu Simnet und SeaTalk NG

Simnet und SeaTalk GN besitzen eine eingeschränkte Kompatibitität zu NMEA2000. Beide Bussysteme setzen auf eigene Steckersysteme und verwenden teilweise propritäre NMEA2000-Telegramme. Die meisten gängigen NMEA2000-Bustelegramme werden von beiden Systemen unterstützt. Mit speziellen einfachen passiven Adapterkabeln können Simnet und SeaTalk GN Bussysteme mit einem NMEA2000 Bussystem verbunden werden. Das OBP60 kann dann Informationen aus Simnet oder SeaTalk NG über den CAN-Bus oder über WiFi mit dem SeaSmart-Protokoll verarbeiten und auch Informationen in diese Bussysteme senden. Properitäre Telegramme werden nicht unterstützt, jedoch im Bussystem übertragen und weitergeleitet.

NMEA0183

NMEA0183 ist ein Standard für serielle Datenübertragung in der Schifffahrt. Es definiert ein Format für die Übertragung von Informationen zwischen Navigationsgeräten und anderen elektronischen Geräten auf Booten. NMEA0183 ist ein weit verbreiteter Standard, der vor allem von vielen älteren Geräten unterstützt wird.

Spezifikation NMEA0183 im OBP60

• Serielles, unidirektionales Datenprotokoll auf ASCII-Basis

• Punkt zu Punkt-Verbindung (isoliert)

• Simplex ohne Kollisionserkennung und Vermeidung

• Bus-Terminierung am Empfänger

• Unterstützte Protokolle

  • RS422 (Standard)

  • RS485

• Datenrate 1.200…460.800 Bd variabel

• Stromversorgung von Sensoren und Anzeigegeräten über 12V-Bordnetz

• Buslänge bis zu 1000 m (abhängig von Datenrate und Kabelart)

• Kabelart nicht spezifiziert

• Steckerart nicht spezifiziert

Datenübertragung

Die Datenübertragung erfolgt im OBP60 halb duplex auf serielle Weise über zwei einfache Kabel. Das bedeutet, dass man etweder senden oder empfangen kann. Beides gleichzeitig ist nicht möglich. Die Standard-Datenrate liegt bei 4800 Bd, was für heutige Verhältnisse recht langsam ist, aber Buslängen von bis zu 1000 m zulässt. Als Datenübertragungsrate lassen sich folgende Einstellungen verwenden:

• 1.200 Bd

• 2.400 Bd

• 4.800 Bd

• 9.600 Bd

• 14.400 Bd

• 19.200 Bd

• 28.800 Bd

• 38.400 Bd

• 56.600 Bd

• 57.600 Bd

• 115.200 Bd

• 230.400 Bd

• 460.800 Bd

Je nach Datenrate und Protokoll können die zulässigen Kabellängen unterschiedlich lang ausfallen. Im realen Betrieb sollten diese Werte beachtet werden.

Abb.: Zulässige Kabellängen für RS422 und RS485

Übertragungsrate [Bd]	zul. Leitungslänge [m]
4.800	300
9.600	152
19.200	15
57.600	5
115.200	2

Tab.: Zulässige Leitungslängen für RS232

Die Datenübertragung erfolgt mit differenziellen Signalen ähnlich wie bei NMEA2000. Damit können Gleichtaktstörungen über lange Leitungslängen sicher unterdrückt werden.

Abb.: RS422-Übertragungsmodell Sender - Empfänger

Bus-Terminierung

Abb.: Bus-Terminierung für NMEA0183

Auf der Empfängerseite ist der NMEA0183-Bus terminiert. Im OBP60 findet man den Jumper T183 für die Bus-Terminierung zwischen den Steckverbindern CN1 und CN2. Der Jumper ist zu setzen, wenn das OBP60 als Empfänger von NMEA0183-Telegrammen als Serial Direction Receive konfiguriert wurde (siehe Kapitel Config - Serial Port).

Multiplexer

Insgesamt ist NMEA0183 ein nützlicher Standard für die Übertragung von Navigationsdaten auf Booten, aber er hat seine Beschränkungen und kann nicht in allen Einsatzfällen mit moderneren Technologien wie NMEA2000 mithalten. Um zum Beispiel Daten von mehreren Datenquellen wie z.B. Sensoren zu einem Datenstrom zusammenfassen zu können, sind in der NMEA0183-Welt Multiplexer notwendig.

Abb.: NMEA0183 Multiplexer (Ship Modul)

Der Multiplexer empfängt verschiedene Datentelegramme an unterschiedlichen Ports und gibt den zusammengefassten Datenstrom mehrerer Sensoren an einem neuen Datenport aus. So lassen sich mehrere Sensorsignale über eine Leitung an ein Datenendgerät wie z.B. einen Plotter oder ein Multifunktionsdisplay übertragen. Viele Multiplexer bieten auch die Möglichkeit, bestimmte Datentelegramme im Datenstrom mit einer Filterfunktion zu unterdrücken. So können z.B. nur die wirklich notwendigen Daten an einen Autopiloten übertragen oder Mehrdeutigkeiten durch mehrere GPS-Empfänger vermieden werden.

NMEA0183-Telegrammstruktur

NMEA0183-Telegramme sind recht einfach aufgebaut und werden als ASCII-Datensätze übertragen. Ein NMEA0183-Telegramm besteht aus folgenden Informationen.

• Kennung

• Telegrammtyp

• Sensordaten

• Einheit

• Status

• CRC-Checksumme

Je nach Komplexität eines Telegramms können auch mehrere Sensordaten oder Statusinformationen in einem Telegramm übertragen werden. Nachfolgend ist beispielhaft das Telegramm eines Tiefenmessers dargestellt.

DBT - Depth below transducer

$–DBT,a.a,b,c.c,d,e.e,f*hh<CR><LF>

Feldnummer:

• a.a - Tiefe in Fuß

• b - f = Fuß

• c.c - Tiefe in Metern

• d - M = Meter

• e.e - Tiefe in Fathoms

• f - F = Fathoms

• hh - Checksumme

Beispiel:

• $IIDBT,12.8,f,39.0,M,21.3,F*20

Wer mehr Informationen zu NMEA0183-Telegrammen erfahren möchte, findet auf dieser Webseite ausführliche Informationen.

Verkabelung für NMEA0183

Im nachfolgenden Bild ist eine Konfiguration zu sehen, in der ein NMEA0183-Windsensor mit dem OBP60 verbunden ist. Der Windsensor sendet die Daten zum OBP60, dieses ist als NMEA0183-Empfänger konfiguriert. Die Bus-Terminierung ist über den Jumper T183 eingeschaltet.

Abb.: NMEA0183-Minimalkonfiguration

Hinweis

In ähnlicher Art und Weise können auch andere Sensoren an das OBP60 angebunden werden. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass immer nur ein Gerät oder Sensor mit dem OBP60 verbunden werden kann. Wenn mehere Geräte eingebunden werden sollen, dann benötigt man einen vorgeschalteten Multiplexer.

Bemerkung

Verwenden Sie für die Verkabelung externer Sensoren über NMEA0183 möglichst geschirmte Kabel und führen Sie den Schirm direkt bis zum Sensor. Verbinden Sie den Schirm am Sensor nicht mit GND2, da Sie damit Masseschleifen erzeugen. Der gesamte Schirm der Busleitung darf nur einseitig an Eingang Shield des NMEA0183-Bus am OBP60 aufgelegt werden. Der Schirm am anderen Ende der Leitung beleibt offen. Andere Schirmeingänge dürfen nicht benutzt werden.

Achtung

Beachten Sie, dass bei NMEA0183-Datenübertragungen die selbe Übertragungsgeschwindigkeit für Sender und Empfänger und das selbe Übertragungsprotokoll verwendet werden muss. Anderenfalls kann keine Datenübertragung stattfinden. Die NMEA0183-Schnittstelle im OBP60 unterstützt das RS232-Protokoll nicht.

Die meisten Multiplexer haben mehrere NMEA0183-Eingänge und mindestens einen NMEA0183-Ausgang. Bei der Verwendung eines Multiplexers werden alle Sensoren an die NMEA0183-Eingänge des Multiplexers angeschlossen und der NMEA0183-Ausgang mit dem OBP60 verbunden. Der Multiplexer bündelt dann wie beschrieben die Datenströme aller Sensoren zu einem gemeinsamen Datenstrom am Ausgang. Über Filter am Datenausgang lässt sich die Datenmenge auf wichtige Daten eingrenzen. Das OBP60 ist in diesem Beispiel als Empfänger konfiguriert. Die Terminierung des Bussystems ist deaktiviert.

Abb.: NMEA0183-Verbindung zu einem Multiplexer

Hinweis

Alle NMEA0183-Daten werden vom OBP60-Gateway automatisch nach NMEA2000 konvertiert. Die Konvertierung ist dabei unidirektional nur in Richtung NMEA2000. In umgekehrte Richtung nach NMEA0183 werden keine Daten konvertiert, da der NMEA0183-Port des OBP60 in der dargestellten Konfiguration im Empfangs-Modus arbeitet.

I2C

Der I2C-Bus dient zur Anbindung von elektronischen Komponenten. Er wird hauptsächlich im Elektronikbereich eingesetzt, um verschiedene Komponenten auf einer Platine miteinander kostengünstig zu verbinden. Die Verbindung erfolgt über eine Zweidrahtleitung und arbeitet mit Signalpegeln von 5.0V. Es gibt das Taktsignal SCL und das Datensignal SDA. Die Kommunikation läuft als Master- und Slave-System. Dabei steuert der Master die Slaves über eine eindeutige Adresse an und kann mit ihnen Daten austauschen.

Spezifikation I2C im OBP60

• Serielles, bidirektionales, synchrones Datenprotokoll auf Binär-Basis

• Busstruktur (isoliert)

• Halb duplex mit Kollisionserkennung und Vermeidung

• Bus-Terminierung intern über PullUp-Widerstände

• Unterstützte Protokolle

  • I2C, TTL 5.0V

• Datenrate 100.000 kBit/s variabel

• Stromversorgung von Sensoren und Anzeigegeräten über separate Leitungen

• Buslänge bis zu 10 m (abhängig von Datenrate und Kabelart)

• Kabelart nicht spezifiziert

• Steckerart nicht spezifiziert

Im OBP60 ist der I2C-Bus isoliert gegenüber der Außenwelt aufgebaut und verwendet 5.0V TTL-Signalpegel. Der Takt- und Datenausgang ist über Leitungstreiber herausgeführt, die lange Leitungen mit einer hohen Leitungskapazität betreiben können. Damit wird verhindert, dass sich Störungen im Bussystem negativ auf die Funktionssicherheit des OBP60 auswirken. Der I2C-Bus hat 5 Leitungen, über die externe Geräte angeschlossen werden können.

Ausgang	Bedeutung
5Viso	Versorgungsspannung
GND2	Masse I2C
Shield	Schirmung I2C
SCL	Bus-Takt
SDA	Datenleitung

Im folgenden Bild ist ein I2C-Busaufbau mit 3 I2C-Sensoren zu sehen. Alle Sensoren sind mit geschirmten Kabeln mit dem I2C-Eingang am OBP60 verbunden. Die Stromversorgung der externen Sensoren erfolgt direkt über das OBP60 über den integrierten, isolierenden DC/DC-Wandler (5Viso, GND2). Der Versorgungsausgang kann bis zu 200 mA bei 5Viso liefern und damit auch mehrere Sensoren mit Strom versorgen.

Abb.: I2C-Anbindung von externen Sensoren

Bemerkung

Verwenden Sie für die Verkabelung externer Sensoren möglichst geschirmte Kabel und führen Sie den Schirm direkt bis zum Sensor. Verbinden Sie den Schirm des Sensorkabels nicht mit GND2, da Sie damit Masseschleifen erzeugen. Der gesamte Schirm der Busleitung darf nur einseitig an Eingang Shield des I2C-Bus am OBP60 aufgelegt werden. Der Schirm am anderen Ende der Leitung beleibt offen. Andere Schirmeingänge dürfen nicht benutzt werden. Halten Sie Stichleitungen vom Bus zu den Sensoren möglichst kurz.

Achtung

Einige I2C-Module können zwar mit 5V versorgt werden, benutzen aber 3.3V TTL-Signale für SCL und SDA. In diesem Fall benötigen Sie einen Pegelwandler für das SCL- und SDA-Signal auf 5V TTL-Signale. Beachten Sie das nicht, so können der I2C-Sensor oder das I2C-Modul beschädigt werden. Das Gleiche gilt auch für Module, die nur mit 3,3V versorgt werden. Dann benötigen Sie neben dem Pegelwandler noch zusätzlich einen DC/DC-Wandler zur Reduzierung der Versorgungsspannung. Die meisten I2C-Module, die für einen Arduino Uno verwendet werden können, lassen sich auch am OBP60 verwenden. Diese Module sind für 5V-TTL-Signale geeignet.

Vorsicht

Wenn Sie externe Sensoren oder Module am I2C-Bus verwenden wollen, dann prüfen Sie, ob es zu einem Adresskonflikt zwischen den verwendeten Sensoren oder Modulen kommen kann. Achten Sie darauf, dass I2C-Adressen nicht mehrfach vergeben sind. Es kommt dann zu Kommunikationsstörungen auf dem I2C-Bus. Insbesondere bei mehrfacher Verwendung gleicher Module müssen die I2C-Adressen verschieden eingestellt werden. Bei einigen I2C-Modulen ist das nicht möglich. In dem Fall können Sie nur ein I2C-Modul des jeweiligen Typs im Bus verwenden. Das OBP60 belegt bereits folgende Adressen, die nicht von Sensoren benutzt werden dürfen: 0x76, 0x68.

Vorsicht

Nicht angeschlossene externe I2C-Sensoren, die jedoch in der Konfiguration aktiviert sind, führen dazu, dass die Reaktionsfähigkeit des OBP60 beeinträchtigt wird. Diese Sensoren können nicht auf das System antworten, sie erzeugen dadurch einen Software-Timeout. Deaktivieren Sie in einem solchen Fall die Sensoren in der Konfiguration.

Gefahr

Bestimmen Sie den Strombedarf Ihrer externen Sensoren und achten Sie darauf, dass die Stromversorgung 5Viso nicht überlastet oder kurzgeschlossen wird. Der maximal zulässige Strom liegt bei 200 mA. Anderenfalls fallen sonst alle isolierten Bussysteme wie NMEA2000, NMEA0183 und I2C aus, da sie mit der selben Stromquelle versorgt werden. Die Folge ist ein Kommunikationsverlust auf allen genannten Bussystemen, der schwere Folgen für die Navigation Ihres Bootes haben kann. Verbinden Sie GND2 nicht mit GND oder GNDS, da die Isolationswirkung verloren geht und die Empfindlichkeit für Störungen steigt.

1Wire

Der 1Wire-Bus ist ein Eindraht-Bus zur seriellen Übertragung von Daten in elektronischen Schaltungen. Neben der Datenleitung wird noch eine Masseleitung als Potenzialbezug benötigt. Die Übertragung ist bidirektional und asynchron. Der 1Wire-Bus wird oft für einfache Sensoren verwendet, die nur kleine Datenmengen übertragen wie z.B. für die Temperatursensoren DS18B20. Beim OBP60 ist der 1Wire-Bus an der Anschlussklemme CN2 herausgeführt.

Spezifikation 1Wire

• Serielles, bidirektionales asynchrones Datenprotokoll auf Binär-Basis

• Busstruktur (nicht isoliert)

• Halb duplex mit Kollisionserkennung und Vermeidung

• Bus-Terminierung über PullUp-Widerstand am Ausgang

• Unterstützte Protokolle

  • 1Wire, TTL 3.3V

• Datenrate 9600 kBit/s (bei parasitärer Stromversorgung über Datenleitung)

• Stromversorgung von Sensoren über Datenleitung

• Buslänge bis zu 10 m (abhängig von Datenrate und Stromversorgung)

• Kabelart nicht spezifiziert

• Steckerart für einige Anwendungen spezifiziert

• Maximal 8 DS18B20 Sensoren nutzbar

Der 1Wire-Bus bietet eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, Temperatursensoren einzubinden. Zur Anbindung werden nur 3 Leitungen am OBP60 benötigt.

Ausgang	Bedeutung
1Wire	Datenleitung
GND	Masse 1Wire
GND2	Schirmung

Die Stromversorgung der Temperatursensoren erfolgt parasitär über die Datenleitung. Intern im Sensor befindet sich ein Kondensator, der eine gewisse Menge an Energie für den Zeitpunkt der Übertragung speichern kann, wenn der Datenpegel auf 3.3V liegt. Die Sensoren werden über eindeutige Adressen angesprochen und können mit dem OBP60 Daten austauschen. Bei der parasitären Stromversorgung ist die Datenrate auf max. 9600 kBit/s limitiert. Die Sensoren können nur wenige Male in der Minute abgefragt werden, da sie ihre Energie über einen längeren Zeitraum über die Datenleitung sammeln müssen. Pro Sekunde wird nur ein Sensor ausgelesen. Der Vorgang wiederholt sich dann für alle weiteren Sensoren. 1Wire-Temperatur-Sensoren eignen sich daher nur für die Verarbeitung unkritischer Temperaturwerte.

Nachfolgend ist eine Beispielanwendung für 1Wire-Temperatur-Sensoren zu sehen.

Abb.: 1Wire-Anbindung von externen Temperatur-Sensoren (parasitär versorgt)

Die Belegung der DS18B20-Temperatur-Sensoren ist folgendermaßen durchzuführen.

Ausgang	Temperatursensor
1Wire	gelb, Datenleitung
GND	schwarz + rot
GNDS	Schirm

Bemerkung

Verwenden Sie für die Verkabelung externer Temperatur-Sensoren möglichst geschirmte Kabel und führen Sie den Schirm direkt bis zum Sensor. Verbinden Sie den Schirm des Sensorkabels nicht mit GND, da Sie damit Masseschleifen erzeugen. Der gesamte Schirm der Busleitung darf nur einseitig an Eingang GNDS des 1Wire-Bus am OBP60 aufgelegt werden. Der Schirm am anderen Ende der Leitung bleibt offen. Andere Schirmeingänge dürfen nicht benutzt werden. Halten Sie Stichleitungen vom Bus zu den Sensoren möglichst kurz. Die maximale Anzahl der Sensoren am 1Wire-Bus ist auf 8 Sensoren begrenzt. Die Ausleszeit eines Sensors ist von der Anzahl (N) der Sensoren im Bus abhängig. Die Auslesezeit T lässt sich über folgende Formel berechnen: T[s]=N*1s.

Hinweis

Wenn möglich, verwenden Sie Temperatursensoren am I2C-Bus statt am 1Wire-Bus. Sie erhöhen damit die Betriebssicherheit des Gesamtsystems, da der I2C-Bus gegenüber der Außenwelt isoliert ist.

Hinweis

Im Internet-Handel sind Nachbauten von DS18B20-Temperatur-Sensoren im Umlauf, die eine parasitäre Stromversorgung nicht unterstützen. Wenn Sie keine Kommunikation mit dem OBP60 zustande bekommen, dann probieren Sie andere Sensoren aus. Wenn auch das zu keinem Erfolg führt, benutzen Sie eine normale Stromversorgung für die Temperatursensoren. Mit dieser Art der Stromversorgung sollten nahezu alle Sensoren funktionieren.

Abb.: 1Wire-Anbindung von externen Temperatur-Sensoren (direkt versorgt)

Vorsicht

Der 1Wire-Bus ist nicht isoliert gegenüber der internen Schaltung des OBP60. Das erhöht bei unsachgemäßer Installation das Risiko, dass eingekoppelte Störungen in die Busleitungen die Funktion und Stabilität des OBP60 beeinträchtigen können. Halten Sie daher die Buslänge so kurz wie möglich. Im schlimmsten Fall kann das zum kompletten Ausfall des OBP60 führen mit daraus resultierenden schweren Folgen für die Navigationsfähigkeit Ihres Bootes.

Gefahr

Es darf auf keinen Fall eine Spannung von 12V an den Ausgang 1Wire angelegt werden. Das hat unmittelbar zur Folge, dass das OBP60 beschädigt oder sogar zerstört wird.

USB

Die USB-C-Schnittstelle im OBP60 dient zum Flashen der Firmware und zum Debugging. Die USB-Schnittstelle ist als serielle Schnittstelle ausgeführt. Darüber hinaus kann auch eine bidirektionale, voll duplex-fähige NMEA0183-Kommunikation zu anderen Geräten wie einem Laptop, PC oder einem Marine Control Server aufgebaut werden.

Spezifikation USB im OBP60

• Serielles, bidirektionales asynchrones Datenprotokoll auf Binär-Basis

• Punkt zu Punkt (nicht isoliert)

• USB-OTG (serielles Device)

• Voll duplex

• Bus-Terminierung über PullUp-Widerstand im ESP32

• Unterstützte Protokolle

  • USB 1.1, TTL 3.3V

• Datenrate 1 MBit/s

• Stromversorgung des OBP60 über USB möglich

• Stromversorgung von externen Geräten aus dem OBP60 heraus nicht möglich

• Buslänge bis zu 3 m

• Kabelart geschirmt

• Steckerart USB-C

Bemerkung

Für Linux und Win10/11 sind entsprechende USB-Treiber im Betriebssystem integriert. Für die älteren Win7/8-Versionen benötigen Sie zusätzliche Treiber, um die USB-Schnittstelle benutzen zu können.

Stromversorgung

Das OBP60 kann auch über USB-C mit Strom versorgt werden. Das ist nützlich, wenn man z.B. Software-Entwicklung durchführt und das Gerät am Schreibtisch nutzen möchte. Das stromliefernde Gerät muss bis zu 1 A mit einer Spannung von 5.1V bereitstellen können, wie etwa ein Raspberry Pi Netzteil. Die USB-C-Schnittstelle verfügt über einen Rücklaufschutz, so dass kein Strom aus dem OBP60 herausfließen kann. Das OBP60 kann zudem auch gleichzeitig mit 12V und über USB-C mit 5V versorgt werden.

Hinweis

Die reguläre Stromversorgung des OBP60 im Boot erfolgt immer über 12V aus dem Bordnetz. Es wird nicht empfohlen, eine Versorgung nur über USB-C durchzuführen, da die Steckverbindung nicht gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert ist. Kabellängen größer 1,5 m sollten nur für Datenübertragungen und nicht für die Stromversorgung genutzt werden, da der Spannungsabfall auf den Leitungen zu groß ist. Die Kabellänge ist auf maximal 3 m begrenzt. Wenn Sie größere Strecken überbrücken wollen, müssen Sie aktive USB-Repeater-Kabel verwenden, die die Signalpegel auffrischen.

Abb.: Aktive USB-Verlängerung für 5 m

Gefahr

In einigen Situationen kann es vorkommen, dass unzulässige Ausgleichsströme über die nicht isolierte USB-C-Schnittstelle fließen und das OBP60 so beschädigen können. Das passiert z.B. dann, wenn Ladegeräte mit dem 230V-Landstrom verbunden sind, die Bord-Batterie aufladen und gleichzeitig ein Laptop mit 230V-Versorgung mit dem OBP60 über USB-C verbunden ist. Wenn Sie beabsichtigen, die USB-C-Verbindung dauerhaft zur Kommunikation im Boot zu nutzen, sollten sie einen USB-Isolator verwenden, um Schäden zu vermeiden. Beim Betrieb des Laptops nur über seinen eingebauten Akku entstehen die beschriebenen Probleme nicht.

Abb.: USB-Isolator

USB-Isolatoren haben allerdings den Nachteil, dass sie nur einen sehr geringen Strom von ca. 150 mA für ihre isolierte Seite in Richtung OBP60 liefern können. Das OBP60 wird so nur eingeschränkt mit Strom versorgt, was Funktionsbeeinträchtigungen nach sich ziehen kann. Das OBP60 muss dann je nach Bedarf wie beschrieben noch zusätzlich mit 12V über den Steckverbinder CN2 versorgt werden.

Achtung

Wenn das OBP60 über USB versorgt wird, kann es vorkommen, dass das Gerät gelegentlich je nach Stromverbrauch ungewollt einen Reboot durchführt. Der Grund liegt oft in einer unzureichenden Stromversorgung des USB-Ports oder an ungeigneten oder zu langen USB-Kabeln. Entweder liegt die Ausgangsspannung nicht exakt bei 5V oder der Strom ist nicht ausreichend. Um solche Probleme zu vermeiden, benutzen Sie die Stromversorgung über 12V an der Anschlussklemme CN2 oder ein eigenständiges Netzteil mit 5,2 V/2 A.

Kommunikation

Die USB-C-Schnittselle kann zur voll duplexfähigen NMEA0183-Kommunikation mit weiteren Geräten verwendet werden. Denkbar wären folgende Nutzungs-Szenarien:

• Kommunikation mit einem Marine Control Server

• Datenlieferant für ein Android-Autoradio als Plotter

• Kommunikation mit einem Laptop oder PC zur Softwareentwicklung, Diagnose und zum Flashen der Firmware

• Diagnose der Buskommunikation mit externer Software wie dem Actisense Reader

• Einspeisung von Simulationsdaten in die Bussysteme mit dem NMEA-Simulator