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Erleben CAN-Busse eine Renaissance? Nicht wirklich, denn sie wurden nie wirklich ausgemustert. Sehen Sie genau nach, wie ihre technischen Spezifikationen aussehen und wofür sie verwendet werden.
Jeder kennt den Namen ihres Erfinders. Im Februar 1986 stellte die Robert Bosch GmbH auf dem Kongress der Society of Automotive Engineers das serielle Bussystem Controller Area Network (CAN) vor. Dies war die Geburtsstunde eines der erfolgreichsten Vernetzungsprotokolle der Geschichte. Seitdem sind fast 40 Jahre vergangen, und heute ist eine Reihe von Personenkraftwagen, die in Europa produziert werden, mit mindestens einem CAN-Netzwerk ausgestattet.
Woher kommt der CAN-Bus?
CAN-Busse haben die Automobilbranche entscheidend verändert. Sie werden heute weltweit als Basis für die Vernetzung von eingebetteten Systemen in vielen Bereichen, nicht nur in der Automobiltechnik, eingesetzt. Die ersten CAN-Controller-Chips von Intel und Philips Semiconductors erschienen 1987, und bereits 1991 wurde die Spezifikation CAN 2.0 von Bosch veröffentlicht. Dieser Standard standardisierte neben dem CAN-Protokoll auch die physikalische Schicht für Bitraten bis zu 1 Mbit/s. Obwohl CAN ursprünglich für den Einsatz in Personenkraftwagen entwickelt wurde, fanden die ersten Versuche, diese Technologie zu nutzen, in anderen Marktsegmenten statt. Die Skandinavier wurden zu Pionieren in diesem Bereich.
In Finnland wurde der CAN-Bus vom Aufzughersteller KONE eingeführt, und das schwedische Ingenieurbüro Kvaser schlug CAN als Kommunikationsprotokoll in Geräten für Textilmaschinenhersteller vor. Dann stießen die Niederländer zu den Nutzern des CAN-Busses – Philips Medical Systems beschloss dort, CAN für die interne Vernetzung von Röntgengeräten zu verwenden. Die serielle Bustechnologie findet weiterhin erstaunliche neue Anwendungen.
CAN-Bus - was ist das?
Der CAN-Bus ist wie ein Nervensystem, das eine kontinuierliche Kommunikation ermöglicht. Er verbindet alle elektronischen Steuergeräte (ECUs) und ermöglicht den Austausch von Informationen. Technisch ausgedrückt, wird das Controller Area Network durch eine Datenverbindungsschicht und eine physikalische Schicht beschrieben. Die physikalische Schicht des CAN-Busses definiert Komponenten wie Kabeltypen und deren Impedanz, elektrische Signalpegel und Knotenanforderungen.
CAN-Bus gegenüber ISO
Die Normen für den CAN-Bus sind in den ISO-Normen enthalten. Für ein Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerk beschreibt ISO 11898-1 die Datenverbindungsschicht und ISO 11898-2 die physikalische Schicht. Auf welche Parameter bezieht sich der Indikator für die physikalische Schicht?
- Baudrate – CAN-Knoten müssen über einen Zweidraht-Bus mit einer Baudrate von bis zu 1 Mbit/s (klassischer CAN) oder 5 Mbit/s (CAN FD) verbunden sein.
- Kabellänge – die maximale CAN-Kabellänge sollte 500 Meter (Durchsatz bis 125 kbit/s) oder 40 Meter (Durchsatz bis 1 Mbit/s) betragen.
- Abschluss – der CAN-Bus muss ordnungsgemäß abgeschlossen werden, in diesem Fall mit einem 120 Ohm CAN-Bus-Abschlusswiderstand an jedem Ende des Busses.
CAN-Bus - wie funktioniert er und wofür wird er verwendet?
Das CAN-Bus-System ermöglicht es jedem Steuergerät, mit allen anderen Steuergeräten ohne komplexe Spezialverkabelung zu kommunizieren. Über CAN können sie Informationen, wie z. B. Sensordaten, aufbereiten und weitergeben. Der Bus besteht aus zwei Drähten – CAN low und CAN high. Die gesendeten Daten werden von allen anderen Steuergeräten im CAN-Netzwerk akzeptiert. Jedes Steuergerät kann dann die Daten prüfen und entscheiden, ob es sie empfangen oder ignorieren möchte.
In einem Kfz-CAN-Bus-System kann das Steuergerät zum Beispiel das Steuergerät für den Motor, die Airbags oder das Soundsystem sein. Ein modernes Auto kann sogar Dutzende von elektronischen Steuergeräten haben, die jeweils für Informationen zuständig sind, die anderen Teilen des Netzwerks zur Verfügung gestellt werden müssen. Dies ermöglicht zum Beispiel das automatische Auslösen der Airbags oder die volle Funktion des ABS-Systems.
Der CAN-Bus ist eines der Protokolle, die bei der On-Board-Diagnose (OBD) verwendet werden. OBD2 ist jetzt in allen neueren Autos und leichten Nutzfahrzeugen weltweit vorgeschrieben.
Vorteile des CAN-Bus
Ziel des CAN-Protokolls ist es, eine schnelle Kommunikation zwischen elektronischen Geräten und Modulen zu ermöglichen und gleichzeitig Fehler, Gewicht und Kosten der Geräte zu reduzieren. Einer der Hauptvorteile des CAN-Busses ist der reduzierte Verdrahtungsaufwand und die effektive Vermeidung von Nachrichtenkollisionen. Fehlererkennungsmechanismen wie Bitstuffing, Bitüberwachung, Frame Check, Acknowledgment Check und Cyclic Redundancy Check tragen wesentlich zur Sicherheit bei.
Das CAN-System ist die Grundlage eines dauerhaften Netzwerks, das mehreren Geräten hilft, miteinander zu kommunizieren. Der Vorteil ist, dass elektronische Steuergeräte (ECUs) eine einzige CAN-Schnittstelle haben können, anstatt analoge und digitale Eingänge für jedes Gerät im System. Dies reduziert die Gesamtkosten und das Gewicht von Fahrzeugen, Maschinen und anderen Geräten. Jedes Gerät im Netzwerk hat einen CAN-Controller-Chip und ist daher intelligent. Alle Module im Netzwerk sehen die gesendeten Nachrichten und können entscheiden, ob sie relevant sind oder gefiltert werden sollten. Diese Struktur ermöglicht Änderungen am CAN-Netzwerk mit minimalen Auswirkungen – es ist einfach, weitere Komponenten in das Ganze zu integrieren. Zusätzliche nicht sendende Knoten können hinzugefügt werden, ohne das Netzwerk zu verändern.
Jede Nachricht hat ihre eigene Priorität. Wenn also zwei Knoten gleichzeitig versuchen, Nachrichten zu senden, wird diejenige mit der höheren Priorität gesendet und diejenige mit der niedrigeren Priorität aufgeschoben. Eine solche Schlichtung ist nicht unterbrechend und führt zu einer Übertragung der Nachricht mit der höchsten Priorität. Sie ermöglicht es den Netzen auch, deterministische Zeitvorgaben einzuhalten.
Die CAN-Spezifikation enthält einen zyklischen Redundanzcode (CRC), um den Inhalt jedes Frames auf Fehler zu prüfen. Fehlerhafte Frames werden von allen Knoten ignoriert und können an das Netzwerk weitergeleitet werden, um einen Fehler zu signalisieren. Der Controller unterscheidet zwischen globalen und lokalen Fehlern, und wenn zu viele Fehler festgestellt werden, können einzelne Knoten die Übertragung einstellen oder die Verbindung zum Netzwerk ganz abbrechen.
CAN-Bus - wo wird er eingesetzt?
Die Verwendung von CAN in der Automobilindustrie ist Standard. Die häufigste Anwendung des Busses ist der Aufbau von elektronischen Netzwerken in Fahrzeugen.
In den letzten Jahrzehnten haben auch andere Branchen begonnen, zuverlässige Kommunikationslösungen zu implementieren und von den vielen Vorteilen von CAN zu profitieren. Straßenbahnen, U-Bahnen, S-Bahnen und Fernverkehrszüge verfügen beispielsweise ebenfalls über einen seriellen Kommunikationsbus. CAN-Geräte verbinden in diesen Fahrzeugen u.a. Türen, Bremssteuerungen, Fahrgastzählgeräte auf verschiedenen Netzebenen. CAN wird auch in Flugzeugen mit Flugstatussensoren, Navigationssystemen und Forschungsrechnern im Cockpit eingesetzt. Darüber hinaus befinden sich CAN-Busse in Flugzeugapparaten und sind für die Datenanalyse während des Fluges sowie für die Triebwerkssteuerung zuständig.
Hersteller medizinischer Geräte verwenden CAN als eingebettetes Netzwerk für medizinische Geräte. Einige Krankenhäuser nutzen den Bus, um ganze Operationssäle zu verwalten und Elemente wie Beleuchtung, Tische, Kameras, Röntgengeräte und Patientenbetten zu steuern. Darüber hinaus verwenden Krankenhäuser das CANopen-Protokoll, um Hebevorrichtungen wie Schalttafeln, Steuerungen, Türen und Lichtschranken miteinander zu verbinden und zu steuern. CANopen wird auch in nicht-industriellen Bereichen eingesetzt, z. B. bei Laborgeräten, Sportkameras, Teleskopen, automatischen Türen und sogar Kaffeemaschinen.
CAN-Bus - welcher ist der richtige?
Die Wahl des richtigen Geräts hängt von der vorgesehenen Anwendung ab. Serielle Kommunikationsbusse wie CAN können das On-Board-ABS-System, die Motorsteuerung in fortgeschrittenen Elektronik- und Robotikprojekten und im weiteren Bereich der Automatisierung unterstützen, zum Beispiel im Zusammenspiel mit dem unverzichtbaren Arduino.
Die im Sortiment des Botland-Shops erhältlichen CAN-Module und -Overlays verfügen bereits über die für den Betrieb notwendigen Anschlüsse oder die Fähigkeit, mit OBD zu arbeiten. Sie sind daher ideale Geräte für Mechaniker und Mechatroniker.
