CAN-Bus

CAN-Logo

Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein asynchrones, serielles Bussystem und gehört zu den Feldbussen. Um die Kabelbäume (bis zu 2 km pro Fahrzeug) zu reduzieren und dadurch Gewicht zu sparen, wurde der CAN-Bus 1983 von Bosch für die Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen entwickelt und 1987 zusammen mit Intel vorgestellt.

Funktion

Übertragungsverfahren

Der CAN-Bus arbeitet nach dem CSMA/CR^[1] (Carrier Sense Multiple Access / Collision Resolution) Verfahren (nicht zu verwechseln mit CSMA/CD wie bei Ethernet). Dabei werden Kollisionen beim Buszugriff durch die Arbitrierung oder Bit-Arbitrierung aufgelöst (siehe unten). Die Daten sind NRZ-L-kodiert. Des Weiteren kommt zur Datensicherung die Zyklische Redundanzprüfung (ZRP bzw. engl. CRC) zum Einsatz. Zur fortlaufenden Synchronisierung der Busteilnehmer wird Bitstopfen (bit stuffing) verwendet (siehe unten). Der Bus ist entweder mit Kupferleitungen oder über Glasfaser ausgeführt. Der CAN-Bus arbeitet nach dem "Multi-Master Prinzip": Mehrere gleichberechtigte Steuergeräte (=Busteilnehmer) sind durch eine topologische Anordnung (siehe unten) miteinander verbunden.

Im Falle von Kupferleitungen arbeitet der CAN-Bus bei höheren Datenraten (s. u.) mit Differenzsignalen. Die Differenzsignale werden normalerweise mit 3 Leitungen ausgeführt: CAN_HIGH, CAN_LOW und CAN_GND (Masse). CAN_LOW enthält den komplementären Pegel von CAN_HIGH gegen Masse. Dadurch können Gleichtaktstörungen unterdrückt werden, da die Differenz gleich bleibt.

Bei langsameren Bussen ('Komfort-Bus'  z. B. zur Betätigung von Elementen durch den Benutzer) reicht oft ein Eindrahtsystem. Praktisch wird es meistens doch als Zweidrahtsystem ausgeführt, verwendet aber im Fehlerfall eines Aderbruchs den Eindrahtbetrieb als Rückfallebene, um den Betrieb weiterführen zu können. Um dort Störungen zu vermeiden wird es grundsätzlich verdrillt.

Die Übertragung der Daten erfolgt so, dass ein Bit, je nach Zustand, entweder dominant oder rezessiv auf den Busleitungen wirkt. Ein dominantes überschreibt dabei ein rezessives Bit.

Übertragungsrate und Leitungslänge

Es wird zwischen einem Highspeed- und einem Lowspeed-Bus unterschieden. Bei einem Highspeed-Bus beträgt die maximale Datenübertragungsrate 1 Mbit/s, bei Lowspeed 125 kbit/s.

Die maximale (theoretische) Leitungslänge beträgt z. B. bei 1 Mbit/s 40 m, bei 500 kbit/s sind 100 m möglich und bei 125 kbit/s 500 m. Diese Maximalwerte beruhen darauf, dass die Zeit, die ein Signal am Bus anliegt (Bitzeit, bit/Sekunde), umso kürzer ist, je höher die Übertragungsrate ist. Mit zunehmender Leitungslänge steigt jedoch die Zeit, die ein Signal braucht, bis es am anderen Ende des Busses angekommen ist (Ausbreitungsgeschwindigkeit). Daher darf die Zeit, die ein Signal am Bus liegt, nicht kürzer sein als die Zeit, die ein Signal braucht um sich auszubreiten. Zu beachten ist, dass sich das Signal nicht nur ausbreitet, sondern auch innerhalb der Signalzeit der Empfänger auf den Sender reagieren muss (siehe ACK). Der Sender muss wiederum die eventuelle Buspegeländerung des/der Empfänger mitbekommen (siehe auch Arbitrierung). Deshalb ist die max. Leitungslänge etwas komplexer zu berechnen. Es müssen Verzögerungszeiten auf der Leitung, des Transceivers (Sender und Empfänger), des Controllers (Sender und Empfänger) und der gesetzte Abtastzeitpunkt (Sender und Empfänger) berücksichtigt werden. Die Formel zur Berechnung und nähere Informationen sind der Literatur entnehmbar.

Als Busmedium werden nach ISO11898-2 (High-Speed Medium Access Unit) Twisted-Pair-Kabel mit einem Wellenwiderstand von 108...132 Ohm empfohlen.

Die maximale Teilnehmeranzahl auf physikalischer Ebene hängt von den verwendeten Bustreiberbausteinen (Transceiver, physikalische Anschaltung an den Bus) ab. Mit gängigen Bausteinen sind 32, 64 oder bis zu 110 (mit Einschränkungen bis zu 128) Teilnehmer pro Leitung möglich (Erweiterungsmöglichkeit über Repeater oder Bridge).

Topologie

Linearer CAN-Bus

Das CAN-Netzwerk wird als Linienstruktur aufgebaut. Stichleitungen sind in eingeschränktem Umfang zulässig. Des Weiteren sind auch ein ringförmiger Bus (Infotainment Bereich) sowie ein sternförmiger Bus (Zentralverriegelung) möglich. Beide Varianten haben im Vergleich zum linienförmigen Bus jeweils einen Nachteil:

• Im ringförmigen Bus sind alle Steuergeräte in Reihe geschaltet, so dass bei einem Ausfall eines Steuergeräts der gesamte Bus ausfällt.
• Der sternförmige Bus wird meist von einem Zentralrechner gesteuert, da diesen alle Informationen passieren müssen, mit der Folge, dass bei einem Ausfall des Zentralrechners keine Informationen weitergeleitet werden können. Bei einem Ausfall eines einzelnen Steuergeräts funktioniert der Bus weiter.
• Der lineare Bus hat den Vorteil, dass alle Steuergeräte parallel zu einer zentralen Leitung gehen. Nur wenn diese ausfällt, funktioniert der Bus nicht mehr. Diese Topologie wird häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
• Stichleitungen und sternförmiger Bus haben den Nachteil, dass der Wellenwiderstand schwer zu bestimmen ist. Im schlimmsten Fall funktioniert der Bus nicht mehr.

Es müssen immer 2 Abschlusswiderstände von je 120 Ohm (zwischen CAN_HIGH und CAN_LOW) an dem jeweiligen Ende, und nur dort, verwendet werden.

Objektidentifier

Der Objektidentifier kennzeichnet den Inhalt der Nachricht, nicht das Gerät. Zum Beispiel kann in einem Messsystem den Parametern Temperatur, Spannung, Druck jeweils ein eigener Identifier zugewiesen sein. Die Empfänger entscheiden anhand des Identifiers, ob die Nachricht für sie relevant ist oder nicht.

Zudem dient der Objektidentifier auch der Priorisierung der Nachrichten.

Die Spezifikation definiert zwei verschiedene Identifier-Formate:

• 11-Bit-Identifier, auch "Base frame format" genannt (CAN 2.0A)
• 29-Bit-Identifier, auch "Extended frame format" genannt (CAN 2.0B).

Ein Teilnehmer kann Empfänger und Sender von Nachrichten mit beliebig vielen Identifiern sein, aber umgekehrt darf es zu einem Identifier immer nur maximal einen Sender geben, damit die Arbitrierung funktioniert.

Der CAN-Standard fordert, dass eine Implementierung das "Base frame format" akzeptieren muss, dagegen das "Extended frame format" akzeptieren kann, es aber zumindest tolerieren muss.

Arbitrierung, Priorität

Der Buszugriff wird verlustfrei mittels der bitweisen Arbitrierung auf Basis der Identifier der zu sendenden Nachrichten aufgelöst. Dazu überwacht jeder Sender den Bus, während er gerade den Identifier sendet. Senden zwei Teilnehmer gleichzeitig, so überschreibt das erste dominante Bit eines der Beiden das entsprechend rezessive des Anderen, welcher dieses erkennt und seinen Übertragungsversuch beendet, damit der Andere seine Daten übertragen kann. Verwenden beide Teilnehmer den gleichen Identifier, wird nicht sofort ein Error-Frame erzeugt (siehe Frame-Aufbau), sondern erst bei einer Kollision innerhalb der restlichen Bits, was durch die Arbitrierung ausgeschlossen sein sollte. Daher empfiehlt der Standard, dass ein Identifier auch nur von maximal einem Teilnehmer verwendet werden soll.

Durch dieses Verfahren ist auch eine Hierarchie der Nachrichten untereinander gegeben. Die Nachricht mit dem niedrigsten Identifier darf "immer" übertragen werden. Für die Übertragung von zeitkritischen Nachrichten kann also ein Identifier hoher Priorität (= niedrige ID, z. B. 0x001; 0x000 für Netzmanagament - NMT) vergeben werden, um ihnen so Vorrang bei der Übertragung zu gewähren. Dennoch kann selbst bei hochprioren Botschaften der Sendezeitpunkt zeitlich nicht genau vorher bestimmt werden, da gerade in Übertragung befindliche Nachrichten nicht unterbrochen werden können und den Startzeitpunkt einer Sendung so bis zur maximalen Nachrichtenlänge verzögern können (nichtdeterministisches Verhalten). Lediglich die maximale Sendeverzögerung für die höchstpriore Nachricht kann bei bekannter maximaler Nachrichtenlänge errechnet werden.

Frame-Aufbau

CAN-Datentelegramm im Base Frame Format

CAN-Datentelegramm im Extended Frame Format

Die Kommunikation erfolgt mit Telegrammen. Innerhalb eines Telegramms gibt es Steuerbits und Nutzbits. Der genormte Aufbau eines solchen Telegrammrahmens wird als Frame bezeichnet.

Es gibt vier verschiedene Arten von Frames:

• Daten-Frame dient dem Transport von bis zu 8 Byte an Daten
• Remote-Frame dient der Anforderung eines Daten-Frames von einem anderen Teilnehmer
• Error-Frame signalisiert allen Teilnehmern eine erkannte Fehlerbedingung in der Übertragung
• Overload-Frame dient als Zwangspause zwischen Daten- und Remote-Frames

Daten-Frame

Ein Daten-Frame ist logisch wie folgt aufgebaut:

• Start of Frame (SOF) = ein dominantes Bit
• Arbitrierungsfeld bestehend aus einem Identifier-Segment (11 Bit oder 29+2 Bit) plus einem RTR-Bit (Remote Transmission Request, siehe unten)
• Kontrollfeld (CTRL) = 6 Bit
• Datenfeld (DATA) = 0-64 Bit (in Einheiten von 8 Bit)
• Prüfsummenfeld (CRC) = 16 Bit (15 Bit CRC plus einem rezessiven CRC-Delimiter-Bit)
• Bestätigungsfeld (ACK) 2 Bit, bestehend aus einem ACK-Slot (siehe untenstehende Erläuterung) plus einem rezessiven ACK-Delimiter
• End of Frame (EOF) 7 Bit (rezessiv)
• Intermission (IFS - Intermission Frame Space) = 3 Bit (=min. Anzahl der Bits, die aufeinanderfolgende Botschaften trennt)

Remote Frame

Ein gesetztes RTR-Bit (Remote Transmission Request) kennzeichnet einen Remote-Frame (rezessiv). Mit Hilfe eines Remoteframes kann ein Teilnehmer einen anderen auffordern, seine Daten zu senden.

Im Falle eines „Extended Identifiers“ (siehe oben) wird das RTR-Bit durch das SRR-Bit (Substitute Remote Request) ersetzt und ebenfalls rezessiv gesendet. In diesem Fall wird das nachfolgende IDE-Bit ebenfalls rezessiv gesendet, wodurch ein „Extended Identifier“ signalisiert wird. Im Anschluss werden die restlichen 18 Bit des Identifiers und anschließend das eigentliche RTR-Bit gesendet. Das IDE-Bit zählt hierbei logisch zum „Arbitrierungsfeld“, wobei das Kontrollfeld aber weiterhin aus 6 Bit besteht.

Die Datenlänge muss entsprechend der zu erwartenden Datenlänge gesetzt werden (Fehlerquelle: viele Entwickler setzen die Datenlänge = 0 – dies ist falsch; ebenso sind CAN-Controller am Markt, welche RTR-Frames nur mit der Datenlänge 0 senden können). Der Objectidentifier ist derselbe wie der der angeforderten Nachricht.

Error Frame

Der Error Frame besteht aus zwei Feldern:

Das erste Feld wird bestimmt durch die Überlagerung von ERROR FLAGS, die von den verschiedenen Stationen erzeugt werden können.
Das folgende Feld ist der ERROR DELIMITER (8 rezessive Bits) .

Es gibt zwei Typen von Error Flags:

Active Error Flag 

6 dominante Bits, gesendet von einem Knoten, der einen Fehler im Netzwerk entdeckt hat und im Fehler-Status „error active“ ist.

Passive Error Flag 

6 rezessive Bits, gesendet von einem Knoten, der einen Fehler im Netzwerk entdeckt hat und im Fehler-Status „error passive“ ist.

Overload Frame

Der Overload Frame ist eine Zwangspause zwischen Daten- und Remote-Frames.

ACK-Slot

Der Acknowledge-Slot wird verwendet, um den Empfang eines korrekten CAN-Frames zu quittieren. Jeder Empfänger, der keinen Fehler feststellen konnte, setzt einen dominanten Pegel an der Stelle des ACK-Slots und überschreibt somit den rezessiven Pegel des Senders. Im Falle einer negativen Quittung (rezessiver Pegel) muss der fehlererkennende Knoten nach dem ACK-Delimiter ein Error-Flag auflegen, damit erstens der Sender vom Übertragungsfehler in Kenntnis gesetzt wird und zweitens um netzweite Datenkonsistenz sicherzustellen.

Bit Stuffing

Bitstopfen (bit stuffing) kann die physikalische Länge eines Frames vergrößern. Beim Bitstopfen wird nach fünf gleichpoligen Bits ein komplementäres Bit (sog. Stopfbit) in den logischen Bitstrom eingefügt. Bitstopfen wirkt auf Start of frame (SOF) bis einschließlich Prüfsummenfeld (CRC) von Daten- sowie Remote-Frames und dient der Nachsynchronisation der Teilnehmer innerhalb eines Frames.

Sampling

CAN-Controller können den Bus einmal oder dreimal pro Bit abtasten. Beim 3-fach-Sampling entscheidet die Mehrheit über den aktuellen Zustand (dominant = 0 oder rezessiv = 1).

Synchronisierung und Zeitquanten

Ein Bit wird in sog. Zeitquanten unterteilt. Sie entsprechen einem Vielfachen des Controllertaktes. In jedem Zeitquantum wird nur einmal abgetastet. Eine Flanke wird erkannt, wenn der Abtastwert vor dem Zeitquantum einen anderen Wert hat als der Wert danach. Die Nachsynchronisierung synchronisiert somit nur auf ein Zeitquantum und nicht auf die Flanke.

Datensicherung

Erkennt ein Empfänger eine Fehlerbedingung, sendet er einen Error-Frame und veranlasst so alle Teilnehmer, den Frame zu verwerfen. Sollten andere Teilnehmer diese Fehlerbedingung nicht erkannt haben, senden sie ihrerseits direkt im Anschluss ein weiteres Error-Frame. Hiermit wird eine weitere Sicherheitsfunktion des CAN-Protokolls möglich. Um zu vermeiden, dass einzelne Teilnehmer durch irrtümlich erkannte Fehlerbedingungen dauerhaft den Nachrichtentransport blockieren, enthält jeder Teilnehmer Fehlerzähler. Diese Zähler erlauben nach den Regeln der Spezifikation, einen fehlerhaft arbeitenden Teilnehmer in zwei Stufen des Betriebszustands vom Bus zu trennen, wenn er wiederholt Fehler erkennt, welche andere Teilnehmer nicht erkennen oder wiederholt fehlerhafte Frames versendet. Die Zustände nennen sich error active (normal), error passive (Teilnehmer darf nur noch passive - das heißt rezessive - Error-Frames senden) und bus off (Teilnehmer darf nicht mehr senden).

Der Sender wiederholt nach dem Error-Frame seine Datenübertragung. Auch der Sender kann durch die zuvor erwähnten Fehlerzähler vom Bus getrennt werden, wenn die Datenübertragung dauerhaft fehlschlägt. Verschiedene Fehlerfälle führen zu einer unterschiedlich großen Erhöhung des Fehlerzählers.

Standards

• ISO 11898-1:2003 Road vehicles — Controller area network — Part 1: Data link layer and physical signalling
• ISO 11898-2:2003 Road vehicles — Controller area network — Part 2: High-speed medium access unit
• ISO 11898-3:2006 Road vehicles — Controller area network — Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium dependent interface
• ISO 11898-4:2004 Road vehicles — Controller area network — Part 4: Time-triggered communication
• ISO 11898-5:2007 Road vehicles — Controller area network — Part 5: High-speed medium access unit with low-power mode

Anwendungsbereiche

CAN-Protokolle haben sich in verschiedenen, vor allem sicherheitsrelevanten Bereichen etabliert, bei denen es auf hohe Datensicherheit ankommt. Beispiele:

• Automobiltechnik (Vernetzung unterschiedlicher Steuergeräte, Sensoreinheiten und sogar Multimediaeinheiten)
• Automatisierungstechnik (zeitkritische Sensoren im Feld, Überwachungstechnische Einrichtungen)
• Medizintechnik (Magnetresonanz- und Computertomographen, Blutgewinnungsmaschinen, Laborgeräte, Elektro-Rollstühle)
• Flugzeugtechnik (Vernetzung innerhalb von Avionik-Systemen)
• Raumfahrttechnik (vermehrte Verwendung in parallelen Busarchitekturen)
• Beschallungstechnik (wird für die Steuerung von digitalen Endstufen verwendet)

Höhere Protokolle

CANopen/DeviceNet

CANopen und DeviceNet sind auf CAN basierende Schicht-7-Kommunikationsprotokolle, welche hauptsächlich in der Automatisierungstechnik verwendet werden.

Das Verbreitungsgebiet von CANopen ist dabei überwiegend Europa. Es wurde vorwiegend von deutschen klein- und mittelständischen Firmen initiiert und im Rahmen eines Esprit-Projektes unter Leitung von Bosch erarbeitet. Seit 1995 wird es von der CAN in Automation gepflegt und ist inzwischen als Europäische Norm EN 50325-4 standardisiert.

DeviceNet hingegen ist mehr in Amerika verbreitet. Es wurde von Allen-Bradley (gehört zu Rockwell Automation) entwickelt und später als offener Standard an die ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) übergeben.

J1939/NMEA2000/ISOBUS

J1939 ist ein auf CAN basierendes Protokoll im Nutzfahrzeugbereich. Es wird gepflegt von der SAE. Eine Einführung in J1939 findet sich in Application Note Introduction J1939 ^[2]

Das im maritimen Bereich sich langsam ausbreitende Protokoll NMEA2000 der NMEA-Organisation ist eine Erweiterung von SAE J1939.

In der Landwirtschaft und Kommunaltechnik kommt der ISOBUS (ISO11783), der eine Erweiterung des J1939 darstellt, zur Anbaugeräte-Steuerung und -Überwachung zum Einsatz.

CleANopen

Eine Arbeitsgruppe der CAN in Automation, die CANopen Special Interest Group (SIG) "Municipal Vehicles", entwickelt das CANopen-Anwendungsprofil für Abfallsammelfahrzeuge (CleANopen).

SafetyBUS p

SafetyBUS p ist ein auf CAN basierendes sicheres Kommunikationsprotokoll, welches hauptsächlich in der Automatisierungstechnik zur Übertragung sicherheitsgerichteter Daten verwendet wird. Alle Busteilnehmer sind 2- oder sogar 3-kanalig aufgebaut und prüfen die Datenintegrität. Das Übertragungsmedium selbst ist nicht sicher, die Sicherheit wird durch das SafetyBUS p eigene Datenprotokoll erreicht. Der SafetyBUS p kann bis SIL3 eingesetzt werden.

TTCAN

Time-Triggered Communication on CAN setzt auf dem CAN-Bus auf und ermöglicht über höhere Protokollebenen eine Echtzeitsteuerung.

CANaerospace

CANaerospace ist ein Open-Source-Kommunikationsprotokoll, welches 1998 insbesondere für den Einsatz in der Luftfahrt mit seinen besonderen Zuverlässigkeits- und Leistungsanforderungen konzipiert wurde. Im Jahr 2000 hat die amerikanische NASA CANaerospace als eigenen Standard übernommen. CANaerospace wird in zahlreichen Forschungsflugzeugen weltweit eingesetzt und hat sich als De-facto-Standard in der militärischen Flugsimulationstechnik etabliert.

ARINC 825

ARINC 825 ist ein internationaler Luftfahrt-Kommunikationsstandard, welcher in einer Technischen Arbeitsgruppe (bestehend aus mehreren Luftfahrtunternehmen, darunter Boeing und Airbus) auf der Basis von CANaerospace entwickelt wurde.

Siehe auch

• CANopen
• CAN in Automation
• FlexRay

Literatur

• Wolfhard Lawrenz (Hrsg.): CAN Controller Area Network - Grundlagen und Praxis. Hüthig, ISBN 3-7785-2780-0
• Konrad Etschberger (Hrsg.): CAN Controller Area Network - Grundlagen, Protokolle, Bausteine, Anwendungen. Hanser, ISBN 3-446-19431-2
• Horst Engels : CAN-Bus - Technik einfach, anschaulich und praxisnah vorgestellt. Franzis, ISBN 3-7723-5146-8
• Werner Zimmermann / Ralf Schmidgall : Bussysteme in der Fahrzeugtechnik - Protokolle und Standards. Vieweg+Teubner, 3. Auflage, 2008, ISBN 978-3-8348-0447-1

Einzelnachweise

1. ↑ Datenblatt von intel und freescale
2. ↑ Eine Protokolleinführung: Application Note Introduction J1939