CAN-Bus – Technische Grundlagen & Praxis

Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein serielles, echtzeitfähiges Multi-Master-Feldbussystem nach ISO 11898, das vor allem im Automotive-Bereich und in der Industrie eingesetzt wird. Mehrere Knoten teilen sich ein gemeinsames, differentielles 2-Draht-Busmedium und senden Nachrichten prioritätsbasiert über eine bit-weise Arbitration. 

Key Facts

• Multi-Master: Nachrichten-orientiert (keine „Adressierung“ von Geräten)
• Arbitration über dominante/recessive Bits: die höchste Priorität gewinnt kollisionsfrei
• Physikalische Schicht: differentielle Signalübertragung mit zwei Leitungen (CAN High/CAN Low)
• Classic CAN: bis zu 8 Byte Nutzdaten
• CAN FD: bis zu 64 Byte Nutzdaten & optional höhere Datenphase
• Robustheit: Verwendung von CRC, ACK-Slot, Fehlerrahmen, Error State Machine

Was ist der CAN-Bus?

Definition

CAN ist ein nachrichtenbasiertes Bussystem: jede Nachricht trägt einen Identifier, der gleichzeitig den Inhalt und die Priorität der Nachricht beschreibt. Knoten in einem Netzwerk empfangen Nachrichten über Filter (Mask/Match) und reagieren darauf, statt direkt adressiert zu werden.

CAN Funktionsprinzip – Broadcast Transmssion & Acceptance Filtering

Der CAN-Bus arbeitet nach dem Prinzip „Broadcast Transmission & Acceptance Filtering“, d.h. jedes Gerät im Netzwerk kann eine Nachricht auf dem Bus an alle anderen Geräte auf dem Bus senden. Über die Filterfunktion entscheiden die Empfänger ob die Nachricht verworfen (rejected) oder akzeptiert (accepted) wird.

Typische Einsatzgebiete

• Automotive (Antriebsstrang, Body, Diagnose)
• Industrie/Robotik, Embedded Steuerungen
• Medizintechnik
• Mobile Maschinen

Physikalische Schicht – Leitung, Terminierung, Topologie

Die physikalische Schicht des CAN Bus beschreibt die elektrischen Eigenschaften und die Verkabelung. Die sogenannte Bitübertragungsschicht (Physical Layer) ist durch die Standards ISO 11898-2 und ISO 11898-3 definiert.

Busleitung & Signalpegel

CAN nutzt ein differentielles Leitungspaar (CAN High, CAN Low). Die dominanten bzw. rezessiven Zustände werden als Spannungsdifferenz übertragen – dadurch ergibt sich eine hohe Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen.

CAN Leitungen – Differentielle Signalübertragung

Terminierung

Ein CAN-Bus wird an beiden Busenden mit Abschlusswiderständen von typ. 120 Ω terminiert, um Reflexionen zu dämpfen. Fehlende oder falsche Terminierung führt häufig zu sporadischen Error-Frames – insbesondere bei höheren Bitraten und langen Leitungen.

Datenrate

Die Datenrate beim klassischen CAN Bus kann je nach Anwendung und Netzwerklänge variieren, wobei Geschwindigkeiten von bis zu 1 MBit/s möglich sind. Beim Einsatz von CAN FD sind Datenraten von bis zu 8 MBit/s möglich.

Topologie

CAN ist für eine Linientopologie ausgelegt. Stern-Topologien und lange Stichleitungen erhöhen Reflexionen und verschlechtern die Signalqualität.

Sicherungsschicht – Frames, Arbitration & Bit Stuffing

Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) vom CAN-Bus ist durch den ISO 11898-1 Standard definiert. 

CAN Frames

In der ISO 11898-1 sind die folgenden Frame Typen definiert:

• Data Frame
• Remote Frame (nur Classic CAN)
• Error Frame
• Overload Frame

Von der Verwendung der CAN Remote Frames wird grundsätzlich abgeraten.

Data Frame

Der Data Frame enthält im wesentlichen den Identifier, das Control Field (mit DLC), das Data Field, den CRC und den ACK-Slot.

Der Identifier bestimmt sowohl die Priorität als auch den Inhalt der Nachricht. Für den Identifier werden entweder 11 Bit (Standard Frame) oder 29 Bit (Extended Frame) verwendet. Im Datenfeld (Data Field) werden die eigentlichen Informationen übertragen werden. Das Datenfeld hat eine variable Länge. Bei CAN Classic können maximal 8 Byte übertragen werden, bei CAN FD bis zu 64 Byte.

CAN Bus – Classic Basic Frame Format

CAN Bus – Classic Extended Frame Format

Bedeutung der einzelnen Felder einer CAN Nachricht

Bit Timing

Die Bitzeit ist der reziproke Werte der Bitrate, die Bitzeit wird typischerweise in Mikrosekunden [µs] angegeben. Bei einer Bitrate von 125 kBit/s beträgt somit die Bitzeit 8 µs.

Time Quanta & Segmente

Die Bitzeit (T_Bit) wird in Time Quanta (t_q) aufgeteilt. Sie besteht aus Sync Segment, Propagation Segment, Phase Segment 1 und Phase Segment 2. Der Übergang zwischen Phase Segment 1 und Phase Segment 2 wird als Sample Point bezeichnet.

CAN Bittiming

Die Anzahl der Time Quanta liegt im Bereich zwischen 8 und 25. Über den Parameter Synchronisation Jump Width (SJW) wird definiert um wie viele Time Quanta ein Bit zur Re-Synchronisation verkürzt bzw. verlängert werden kann.

Sample Point

CAN Bus Anwendungen

Der CAN Bus wird umfangreich in der Automobilindustrie eingesetzt, um Komponenten wie Motorsteuergeräte, Airbags, ABS und viele andere miteinander zu vernetzen. Auch in der Industrieautomation spielt der CAN Bus eine wichtige Rolle, insbesondere bei der Steuerung und Überwachung von Maschinen und Produktionsprozessen. In der Medizintechnik ermöglicht der CAN Bus die Vernetzung von medizinischen Geräten, was zu verbesserten Diagnosemöglichkeiten und Patientenüberwachung führt.

Herausforderungen

Sicherheitsbedenken

Mit der zunehmenden Vernetzung von Systemen über den CAN Bus wachsen auch die Bedenken hinsichtlich der Sicherheit. Es ist entscheidend, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Systeme vor unbefugtem Zugriff und Manipulation zu schützen.

Interoperabilität

Die Gewährleistung der Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller kann eine Herausforderung darstellen, insbesondere in heterogenen Netzwerken, die eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen. Durch geeignete CAN Protokolle kann die Interoperabilität gewährleistet werden.

CAN im Internet

Weitere Informationen zum Thema CAN finden Sie auf diesen Seiten im Internet:

CAN in Automation e.V.

Die Hersteller- und Nutzer-Vereinigung CAN in Automation bietet ein breites Angebot an Informationen zum Thema CAN. Insbesondere findet man hier eine Übersicht zu höheren Protokollen (z.B. CANopen).
www.can-cia.org

Bosch

Die Firma Bosch ist die Erfinderin der CAN-Technologie. Die Seiten von Bosch sind die erste Wahl für Fragen zu Controllern und Lizenzbedingungen.
www.bosch-semiconductors.com