Was ist ein CAN-Bus-System?
Das Akronym CAN steht für Controller Area Network. CANs werden verwendet, um die Kommunikation zwischen Mikrocontrollern in einem Netzwerk oder Bus herzustellen. CANs sind vergleichbar mit Ethernet oder LANs, die eine standardisierte Methode für die Kommunikation zwischen Computern bieten.
Ein CAN bietet eine vereinfachte Methode zur Bereitstellung elektronischer Steuerungen über die zuvor verwendeten Systeme. Die Implementierung eines CAN-Bus ermöglicht es den Automobilherstellern, die Menge an Verkabelung in jedem Auto erheblich zu reduzieren.
Backbone-Struktur
Die Hauptleitung, die als „Backbone“ bezeichnet wird, bildet die Grundlage eines CAN-Bus-Systems. Das Backbone verbindet alle Mikrocontroller in einem Fahrzeug und liefert Informationen an einen zentralen Hauptcontroller, der für die Überwachung aller elektronischen Systeme verantwortlich ist. Diese Konfiguration vereinfacht die Identifizierung potenzieller Fehler und die Untersuchung und Behebung eines Fehlers, ohne mehrere Subsysteme im gesamten Fahrzeug abfragen zu müssen.
Verbesserte Zuverlässigkeit
Ein CAN-Bus-System minimiert mögliche Fehlerquellen und konsolidiert die Kommunikation, indem Daten über eine einzige Leitung gesendet werden. Es beseitigt Bedenken hinsichtlich mehrerer Verbindungsfehler, die schwer zu identifizierende Probleme verursachen könnten. Die verbesserte Redundanz eines CAN-Bus erhöht die Zuverlässigkeit, indem das Hauptsystem auch dann betriebsbereit bleibt, wenn Subsysteme ausfallen. Diese Redundanz war mit diskreten Controllern nicht umsetzbar.
Wie funktioniert ein CAN-Bus?
Eine CAN-Bus-Leitung wird aus einem verdrillten Drahtpaar konstruiert, das an jedem Ende einen 120 Ohm Abschlusswiderstand hat. Ein Draht wird als CAN High bezeichnet, der andere als CAN Low. Alle mit dem Bus verbundenen Geräte werden als elektronische Steuergeräte (ECUs) oder Knoten bezeichnet.
Rollen von ECUs
ECUs können in einem automobilen CAN-Bus-System verschiedene Rollen spielen. Knoten können als Steuergeräte für den Motor, die Scheinwerfer, die Klimaanlage, die Airbags und andere für den Betrieb des Fahrzeugs notwendige Systeme dienen. Moderne Autos können bis zu 70 ECUs haben, die Daten übertragen und mit anderen Knoten teilen müssen.
Komponenten eines Knotens
Jeder Knoten besteht mindestens aus einem CAN-Controller und einem eingebetteten Mikrocontroller. Digitale Daten werden vom CAN-Controller in Nachrichten auf dem Bus umgewandelt. Der CAN-Controller nimmt Informationen an, übersetzt sie und sendet sie an einen anderen CAN-Controller.
Der eingebettete Mikrocontroller verarbeitet die Daten und führt Aufgaben wie das Einschalten eines Lichts im Auto oder das Herunterfahren eines Fensters aus. Mikrocontroller können den Informationsfluss zum Armaturenbrett in Reaktion auf eine vom CAN-Controller erzeugte Nachricht steuern.
Was ist CAN-Bus-Verkabelung?
Diese beiden Diagramme veranschaulichen, wie Knoten miteinander kommunizieren und Daten mit und ohne das CAN-Protokoll und das CAN-Bus-System austauschen.
Bei Verwendung des CAN-Bus kann ein einziges ECU Daten an alle anderen mit dem System verbundenen ECUs übertragen. Diese ECUs können die Informationen überprüfen und entscheiden, ob sie sie empfangen oder ignorieren.
Ein CAN-Bus ermöglicht die Kommunikation über zwei Drähte: CAN Low (CAN L) und CAN High (CAN H). Die Datenschicht des CAN-Bus wird durch ISO 11898-1 beschrieben, die physikalische Schicht durch ISO 11898-2.
Die physikalische Schicht eines CAN-Bus besteht aus Kabeln, Kabelimpedanzen, elektrischen Signalpegeln, Knotenanbindungen und anderen für den Betrieb des Netzwerks erforderlichen Komponenten.
ISO 11898-2 beschreibt die Spezifikationen für Komponenten der physikalischen Schicht wie Kabellänge, Kabelabschlüsse und Baudrate. Hier sind einige Beispiele dieser Spezifikationen.
🔹 Jedes Ende des CAN-Bus muss mit einem 120 Ohm CAN-Bus-Widerstand abgeschlossen werden
🔹 CAN-Knoten benötigen Verbindungen mit zwei Drähten bei Baudraten bis zu 1 Mbit/s (CAN) oder 5 Mbit/s (CAN FD)
🔹 Die Kabellänge für einen CAN-Bus kann bei 1 Mbit/s 40 Meter oder bei 125 Kbit/s 500 Meter betragen
Es können verschiedene Netztypen mit einem CAN-Bus implementiert werden.
Low-Speed CAN-Bus
🔹 Low-Speed CAN-Bus wird auch als fehlertoleranter CAN bezeichnet.
🔹 Jeder Knoten hat eine CAN-Abschluss
🔹 Der Low-Speed CAN-Bus unterstützt Baudraten zwischen 40 und 125 Kbit/s
🔹 Die Kommunikation kann auch dann fortgesetzt werden, wenn ein Fehler in einem der Drähte vorliegt
High-Speed CAN-Bus (ISO 11898)
🔹 Simple Calling ist eine Funktion eines High-Speed CAN-Bus
🔹 Dieser Netzwerktyp wird von den heutigen Automobilherstellern am häufigsten verwendet
🔹 Baudraten zwischen 40 Kbit/s und 1 Mbit/s werden unterstützt
🔹 Der High-Speed CAN-Bus bildet die Grundlage höherer Protokollschichten wie CANopen, j1939 und OBD2
LIN-Bus
🔹 Ein LIN-Bus ist eine kostengünstige Alternative, die weniger Verkabelungen erfordert
🔹 Günstigere Knoten werden in einem LIN-Bus verwendet
🔹 Das Netzwerk bietet Funktionen für Türschlösser und Klimaanlagen
🔹 Die Netzwerkkonfiguration besteht typischerweise aus einem LIN-Bus-Master, der als Gateway für bis zu 16 Slave-Knoten fungiert
CAN FD
🔹 CAN FDs werden in Hochleistungsfahrzeugen eingesetzt
🔹 Das CAN FD-Protokoll ist eine Erweiterung des ursprünglichen CAN-Protokolls und wurde 2012 von Bosch eingeführt, um den Bedarf an höheren Datenübertragungsraten zu decken
Automotive Ethernet
🔹 Automotive Ethernet unterstützt höhere Datenübertragungsraten als ein CAN-Bus
🔹 Dieses Netzwerk hat nicht die Sicherheitsmerkmale von CAN und CAN FD
🔹 Die Automobilindustrie übernimmt dieses Netzwerk und wird es in modernen Autos und Lastwagen implementieren
🔹 Automotive Ethernet unterstützt die erhöhte Bandbreite, die zur Implementierung von Systemen wie Bordkameras, Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), ein Flottenmanagementsystem und anderen Funktionen erforderlich ist, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erfordern
Was ist ein CAN-Bus im Auto?
Die Implementierung der CAN-Bus-Technologie ermöglicht es Automobilherstellern, On-Board-Diagnoseprotokolle einzusetzen. Diese Protokolle bieten standardisierte Fehlercodes, die Mechaniker leicht interpretieren können, um Probleme zu lösen. Datenports im CAN-Bus werden verwendet, um Software-Updates in die Bord-Systeme und Computer einzuführen.
Einige beliebte Protokolle, die zur Bereitstellung fortschrittlicher Automobilfunktionen verwendet werden, umfassen:
🔹 OBD-II On-Board-Diagnose (OBD, ISO 15765) bietet Mechanikern Diagnose- und Berichtsfunktionen, um Zeit bei der Identifizierung von Fahrzeugproblemen zu sparen
🔹 J1939 ist das Standardnetzwerk für schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw und Busse
🔹 CAN FD erweitert die ursprüngliche CAN-Datenverbindungsschicht und ermöglicht eine erhöhte Nutzlast von 8 auf 64 Byte. Es kann auch höhere Bitraten basierend auf dem verwendeten CAN-Transceiver bieten
🔹 CANopen wird in Anwendungen implementiert, die eingebettete Steuerungen wie industrielle Automatisierungsanlagen umfassen
