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Olga Weis
Zuletzt aktualisiert Dec 12, 2022
Die Abkürzung 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 ein Standardverfahren für die Computer-zu-Computer-Kommunikation darstellen.
Ein CAN bietet eine vereinfachte Methode zur Bereitstellung elektronischer Steuerungen über die zuvor verwendeten Systeme. Durch die Implementierung eines CAN-Busses können Automobilhersteller den Verkabelungsaufwand in jedem Fahrzeug erheblich reduzieren.
Die als „Backbone“ bezeichnete Hauptleitung bildet die Grundlage eines CAN-Bussystems. Das Backbone verbindet alle Mikrocontroller in einem Fahrzeug und liefert Informationen an einen zentralisierten primären Controller, der für die Überwachung aller elektronischen Systeme verantwortlich ist. Diese Konfiguration vereinfacht die Identifizierung potenzieller Fehler und Untersuchen und Beheben eines Fehlers, ohne mehrere Subsysteme abzufragen, die in einem Fahrzeug verteilt sind.
Ein CAN-Bussystem minimiert mögliche Fehlerpunkte und konsolidiert die Kommunikation, indem Daten über eine einzige Leitung gesendet werden. Es beseitigt alle Bedenken über mehrere Verbindungsfehler, die schwer zu identifizierende Probleme verursachen. Die verbesserte Redundanz eines CAN-Busses verbessert die Zuverlässigkeit, indem sie es dem Hauptsystem ermöglicht, betriebsbereit zu bleiben, selbst wenn Subsysteme ausfallen. Diese Redundanz war mit diskreten Controllern nicht realisierbar.
Eine CAN-Bus-Leitung wird aus einem verdrillten Adernpaar aufgebaut, das an jedem Ende einen 120-Ohm-Abschlusswiderstand hat. Ein Draht ist als CAN High bezeichnet, der andere als CAN Low. Alle an den Bus angeschlossenen Geräte werden als elektronische Steuereinheiten (ECUs) oder Knoten bezeichnet.
ECUs können in einem Automotive-CAN-Bussystem eine Vielzahl von Rollen spielen. Knoten können als Steuergeräte für Motor, Scheinwerfer, Klimaanlage, Airbags und andere für den Fahrzeugbetrieb notwendige Systeme dienen. Moderne Autos können bis zu 70 ECUs haben, die Daten übertragen und mit anderen Knoten teilen müssen.
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 entgegen, übersetzt sie und sendet sie an einen anderen CAN-Controller.
Der eingebettete Mikrocontroller verarbeitet Daten und führt Aufgaben aus, wie z. B. das Einschalten eines Lichts im Auto oder das Herunterlassen eines Fensters. Mikrocontroller können den Informationsfluss zum Dashboard als Reaktion auf eine vom CAN-Controller generierte Nachricht steuern.
Diese beiden Diagramme veranschaulichen, wie Knoten miteinander kommunizieren und Daten mit und ohne CAN-Protokoll und CAN-Bussystem austauschen.
Bei Verwendung des CAN-Busses kann ein einzelnes Steuergerät Daten an alle anderen mit dem System verbundenen Steuergeräte übertragen. Diese ECUs können die Informationen überprüfen und sie empfangen oder ignorieren.
Ein CAN-Bus ermöglicht die Kommunikation über zwei Leitungen: CAN Low (CAN L) und CAN High (CAN H). Die Datenverbindungsschicht des CAN-Busses wird durch ISO 11898-1 beschrieben, wobei die physikalische Schicht durch ISO 11898-2 beschrieben wird.
Die physikalische Schicht eines CAN-Busses besteht aus Kabeln, Kabelimpedanz, elektrischen Signalpegeln, Knotenanforderungen und anderen Elementen, die für den Betrieb des Netzwerks erforderlich sind.
ISO 11898-2 beschreibt die Spezifikationen für Elemente in der physikalischen Schicht wie Kabellänge, Kabelabschluss und Baudrate. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für diese Spezifikationen.
🔹 Jedes Ende des CAN-Bus muss mit einem 120-Ohm-CAN-Bus-Widerstand abgeschlossen werden
🔹 CAN-Knoten erfordern Verbindungen über zwei Drähte mit Baudraten bis zu 1 Mbit/s (CAN) oder 5 Mbit/s (CAN FD)
🔹 Die Kabellänge für einen CAN-Bus kann 40 Meter bei 1 Mbit/s oder 500 Meter bei 125 Kbit/s betragen
Mit einem CAN-Bus können verschiedene Arten von Netzwerken implementiert werden.
🔹 Der langsame CAN-Bus wird auch als fehlertoleranter CAN bezeichnet.
🔹 Jeder Knoten hat einen CAN-Abschluss
🔹 Der Low-Speed-CAN-Bus unterstützt Baudraten zwischen 40 und 125 Kbit/s
🔹 Die Kommunikation kann auch bei einem Fehler in einem der Kabel fortgesetzt werden
🔹 Einfaches Telefonieren ist ein Merkmal eines Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus
🔹 Diese Art von Netzwerk wird von den heutigen Automobilherstellern am häufigsten verwendet
🔹 Es werden Baudraten zwischen 40 Kbit/s und 1 Mbit/s unterstützt
🔹 Der Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus bildet die Grundlage für Protokolle höherer Schichten wie CANopen, j1939 und OBD2
🔹 Ein LIN-Bus ist eine kostengünstige Alternative, die weniger Kabelbäume verwendet
🔹 In einem LIN-Bus werden kostengünstigere Knoten 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-FDs werden in Hochleistungsfahrzeugen eingesetzt
🔹 Das CAN-FD-Protokoll ist eine Erweiterung des ursprünglichen CAN-Protokolls und wurde 2012 von Bosch veröffentlicht, um den Bedarf an höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten zu decken
🔹 Automotive Ethernet unterstützt höhere Datenübertragungsraten als ein CAN-Bus
🔹 Dieses Netzwerk verfügt nicht über die Sicherheitsfunktionen von CAN und CAN FD
🔹 Die Automobilindustrie übernimmt dieses Netzwerk und es wird in modernen Autos und Lastwagen implementiert.
🔹 Automotive Ethernet unterstützt die erhöhte Bandbreite, die zur Implementierung von Systemen wie Onboard-Kameras, Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), ein Flottenmanagementsystem und andere Funktionen, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erfordern
Durch die Implementierung der CAN-Bus-Technologie können Automobilhersteller On-Board-Diagnoseprotokolle einsetzen. Diese Protokolle bieten standardisierte Problemcodes, die Mechaniker zur Problemlösung leicht interpretieren können. Datenports im CAN-Bus werden verwendet, um Software-Updates für Bordsysteme und Computer bereitzustellen.
Einige beliebte Protokolle, die zur Bereitstellung erweiterter Automobilfunktionen verwendet werden, sind:
🔹 OBD-II On-Board-Diagnose (OBD, ISO 15765) versorgt Mechaniker mit Diagnose- und Berichtsfunktionen, um Zeit bei der Identifizierung von Fahrzeugproblemen zu sparen
🔹 J1939 ist das Standardnetzwerk für schwere Nutzfahrzeuge wie Lastwagen und Busse
🔹 CAN FD erweitert die ursprüngliche CAN-Sicherungsschicht und ermöglicht eine erhöhte Nutzlast von 8 auf 64 Bytes. Je nach verwendetem CAN-Transceiver kann es auch höhere Bitraten bereitstellen
🔹 CANopen wird in Anwendungen implementiert, die über eingebettete Steuerungen verfügen, wie z. B. industrielle Automatisierungsanlagen
Das CAN-Bus-Protokoll wird auch in den kommenden Jahren wichtig bleiben. Die folgenden großen Trends werden es jedoch direkt beeinflussen:
🔹 Der zunehmende Einsatz von autonomen Fahrzeugen/selbstfahrenden Autos
🔹 Steigender Bedarf an fortschrittlicheren Fahrzeugfunktionen
🔹 Entwicklung fortschrittlicherer Cloud-Technologien wie Cloud-basierte Flottenmanagementsysteme
🔹 Zunehmende Integration des Internets der Dinge (IoT) und vernetzter Fahrzeuge
Es ist auch erwähnenswert, dass die Verbesserung der Vehicle-to-Network (V2N)-Technologie und Cloud Computing wird Prognosen zufolge zu einem schnellen Wachstum der Telematik führen. Dieses Wachstum umfasst auch IoT-Geräte wie CAN-IoT-Rekorder.
