CAN-Bus – Status Quo im Automobilbau

Bei heutigen Automatisierungslösungen nimmt die Anzahl an elektronischen Komponenten immer weiter zu. Die Verkabelung dieser Elektronikkomponenten erfordert einen immer größeren Aufwand, was hohe Kosten bei der Projektierung und komplizierte Schaltpläne mit sich bringt. Aus diesem Grund wurden sogenannte „Feldbussysteme“ entwickelt, bei denen die Datenübermittlung über ein einziges Buskabel stattfindet, welches an allen Feldgeräten vorbeigeführt wird. Dadurch kann der Verkabelungsaufwand und das Gewicht drastisch reduziert werden. Als wohl bekanntestes Feldbussystem hat sich der CAN-Bus vor allem in der Automobiltechnik einen Namen verschafft. Die wichtigsten Informationen zu diesem Thema sind in diesem Artikel zusammengetragen.

Generic Control Box CANopen

CAN-Bus – gleichberechtigte Steuergeräte

Entwickelt wurde der CAN-Bus vom Unternehmen Bosch nach den Anforderungen der Automobilhersteller Daimler und BMW als Automobilbus. Zusammen mit der Firma Intel erfolgte im Jahr 1987 die Vorstellung des ersten CAN-Chips. Erstmals in einem Auto eingesetzt wurde der CAN-Bus bei der Serienproduktion der S-Klasse von Mercedes im Jahre 1992. Ziel der Entwicklung war es, die verbaute Kabellänge (zum Beispiel im Auto) drastisch zu reduzieren und somit das Fahrzeug leichter zu machen.

Beim CAN-Bus gilt das „Multi-Master-Prinzip“, d.h. alle Steuergeräte sind gleichberechtigt und dürfen ihre Informationen senden, sobald sie diese senden möchten. Dadurch kann es jedoch, beim gleichzeitigen Senden zweier Steuergeräte, zur Datenkollision kommen, wodurch die Nachrichten für den Empfänger nicht mehr lesbar sind. Durch den Einsatz des Verfahrens Carrier Sense Multiple Access / Collision Resolution erfolgt eine Priorisierung des Datenversands, was auf der einen Seite die Problematik von Datenkollisionen auflöst, jedoch dazu führt, dass der reguläre CAN-Bus nicht echtzeitfähig ist.

Topologie und Funktionsweise

Die Verkabelung der Feldgeräte erfolgt beim CAN-Bus meist in Linienform – die Information geht also von Feldgerät zu Feldgerät und jedes dieser Feldgeräte liest die Informationen ein und gibt seine Daten weiter, welche an das danach folgende Feldgerät gesendet werden. Auch der Einsatz von Stichleitungen oder ein sternförmiger Aufbau (z.B. bei der Zentralverriegelung eines Autos) sind möglich, bringen jedoch Einschränkungen mit sich. Die Datenübertragung über den CAN-Bus erfolgt seriell, d.h. die Daten werden nacheinander übertragen. Dazu wird ein fest vorgegebener Ablauf verwendet, damit jedes Feldgerät aus der durchlaufenden Bitfolge erkennen kann, welche Daten interessant sind. Dazu werden sogenannte genormte Frames verwendet, deren Aufbau immer gleich ist. Diese Frames enthalten neben dem Empfänger der Nachricht und den Daten auch in manchen Fällen die Aufforderung zum Rücksenden von Daten oder auch Fehler Codes. Werden hintereinander fünf gleiche Bits gesendet, so erkennt das CAN-Protokoll ein „End-of-Frame“. Da es jedoch auch Datenfolgen geben kann, bei denen fünf Bits mit dem gleichen Pegel nacheinander übertragen werden müssen, kommt das sogenannte Bit-Stopfen (bit stuffing) zum Einsatz. Dazu wird nach fünf gleichen Bits z.B. in einem Datenfeld, ein Bit mit dem inversen Pegel eingefügt und somit verdeutlicht, dass es sich nicht um das Ende des Frames handelt.

Beim CAN-Bus unterscheidet man zwischen Highspeed- sowie Lowspeed-CAN . Sie unterscheiden sich, wie am Name schon zu erkennen, durch die Datenübertragungsrate und die Spannungsstärke. Ein CAN-Bus wird normalerweise mit zwei oder drei Leitungen ausgeführt: CAN_HIGH, CAN_LOW und optional CAN_GND.  Beim Highspeed-CAN beträgt das Spannungsniveau im Ruhezustand (rezessiv) 2,5 V. Wird ein dominantes Bit übertragen, steigt die Spannung von CAN_HIGH um 1 V auf 3,5 V, während die Spannung in CAN_LOW um 1 V auf 1,5 V absinkt. Bei der Lowspeed-Variante des CAN-Bus beträgt die rezessive Spannung 0 V (CAN_LOW) und 5V (CAN_HIGH). Bei der Übertragung eines dominanten Bits stellen sich Spannungswerte von 1,4 V (CAN_LOW) und 3,6 V (CAN_HIGH) ein. Hier besteht die Möglichkeit bei Ausfall einer der beiden Leitungen, die Spannung der anderen Leitung gegen Masse auszuwerten. Grundsätzlich würde bei der langsameren Variante des CAN-Bus ein Eindrahtsystem ausreichen, jedoch arbeitet man meist im Zweidrahtsystem um den Betrieb bei Ausfall des ersten Drahtes weiterführen zu können. Man nennt diesen Weg auch „Limp-Home-Modus“ – also nach Hause-humpeln-Modus.

Fazit

Der CAN-Bus hat sich aufgrund seiner Wurzeln in der Automobilbranche zum wohl meist verwendeten Bussystem entwickelt. Die Anforderungen der modernen Automatisierungstechnik kann er jedoch nicht in vollem Maße befriedigen. Dazu zählt vor allem die Echtzeitfähigkeit die heute bei Motion-Control-Aufgaben wie z.B. der Regelung eines Elektromotors notwendig ist. Aus diesem Grund haben Bussysteme der zweiten Generation, die meistens auf dem EtherNET-Standard aufbauen, deutliche Vorteile. Dennoch wird der CAN-Bus auch in Zukunft noch in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik seine Anwendung finden, weshalb unsere Generic Control Box eine Schnittstelle zu diesem sehr wichtigen Feldbus bietet.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.