Das CAN-Bus-Protokoll (Controller Area Network) erfreut sich bei Ingenieuren, die mit industriellen Embedded-Systemen auf hoher Ebene arbeiten, immer größerer Beliebtheit. Das Protokoll wurde 1986 von der Robert Bosch GmbH entwickelt, um die Entwicklung der elektronischen Kommunikation in der Automobilindustrie voranzutreiben.
In den frühen 1980er Jahren begannen die Fahrzeughersteller erstmals, eine zunehmende Anzahl elektronischer Geräte wie aktive Federung, Getriebe- und Lichtsteuerung, Zentralverriegelung und ABS in Pkw und Lkw einzubauen. Damit diese elektronischen Geräte gemeinsam funktionieren, Aufgaben korrekt zeitlich festlegen und Daten gemeinsam nutzen können, müssen sie miteinander verbunden werden.
Unter den bestehenden Verdrahtungsstandards würden die elektronischen Module über direkte analoge Punkt-zu-Punkt-Signalleitungen miteinander kommunizieren. Jedes Modul hatte eine direkte Leitung, die es mit dem anderen Modul verband, das für die Kommunikation benötigt wird. Diese Architektur war zeitaufwändig und verbrauchte zu viel Kabel.
Das CAN-Protokoll macht eine übermäßige Verkabelung überflüssig, da elektronische Geräte über eine einzige Multiplexleitung miteinander kommunizieren können, die jeden Knoten im Netzwerk mit dem Haupt-Dashboard verbindet. Die Multiplex-Architektur ermöglicht die Kombination und Übertragung von Signalen über das gesamte Netzwerk über eine einzige Leitung, sodass jedes elektronische Modul im Fahrzeug rechtzeitig Daten von Sensoren und Aktoren empfängt.
Das CAN-Protokoll wurde 1993 von der International Standards Organization (ISO) standardisiert und ist seitdem in zwei Standards unterteilt: ISO 11898-1, die die Datenverbindungsschicht des Protokolls beschreibt, und ISO 11898-2, die die physikalische Schicht beschreibt. Die einzigartigen Eigenschaften des CAN-Bus-Protokolls haben zu seiner zunehmenden Beliebtheit und Akzeptanz in Branchen geführt, die eingebettete Netzwerke wie Gesundheitswesen, Fertigung und Unterhaltung nutzen.
1. Niedrige Kosten
Bei der ersten Erstellung des CAN-Protokolls bestand das Hauptziel darin, eine schnellere Kommunikation zwischen elektronischen Geräten und Modulen in Fahrzeugen zu ermöglichen und gleichzeitig den Verkabelungsaufwand (und den Kupferaufwand) zu reduzieren. Dies wird durch die Verwendung einer Multiplexverdrahtung erreicht, die die Kombination von analogen und digitalen Signalen und deren Übertragung über ein gemeinsam genutztes Medium ermöglicht.
Um zu verstehen, wie Multiplexing die Kosten für die Verkabelung von Fahrzeugen senkt, müssen wir etwas mehr über die Funktionsweise der Verkabelungsarchitektur wissen, bevor das CAN-Bus-Protokoll erstellt wurde. Neben den elektronischen Geräten oder Modulen, die Fahrzeugteilsysteme steuern, verfügen PKW und LKW auch über Sensoren und Aktoren, die Daten aus dem Fahrzeugbetrieb erfassen und an Module weiterleiten, wo sie benötigt werden.
Ein Fahrzeug hätte Sensoren zum Erfassen von Daten über seine Geschwindigkeit und Beschleunigung, aber das Zuführen dieser Daten würde dedizierte Kabel für jeden einzelnen Datenempfänger erfordern - das ist ein Kabel für die Kommunikation mit dem Airbagsystem, ein Kabel für die Kommunikation mit dem ABS-Bremssystem und ein anderes Kabel Kabel zur Motorsteuerung usw. Mit dem CAN-Protokoll verbindet ein einziges Kabel alle elektronischen Systeme, Aktuatoren und Sensoren im Fahrzeug zu einem Stromkreis, der eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen allen Komponenten ermöglicht.
Das erste Fahrzeug, das eine CAN-Bus-Verkabelung verwendete, war das 1986 erschienene BMW 850 Coupé. Durch die Implementierung der CAN-Bus-Architektur wurde die Verkabelungslänge im BMW 850 um 1,25 Meilen reduziert, was wiederum das Gewicht um weit über 100 Pfund reduzierte. Basierend auf den aktuellen Kosten für Kupferkabel würden sich die Gesamtkosteneinsparungen durch die eingesparten Materialien auf fast 600 USD belaufen. Darüber hinaus wurde die Kommunikationsgeschwindigkeit mit Signalraten zwischen 125 kbit / s und 1 Mbit / s erhöht.
Niedrige Implementierungskosten sind einer der Hauptgründe für die weit verbreitete Einführung des CAN-Bus-Protokolls. Weniger Verkabelung bedeutet weniger Arbeit und geringere Materialkosten für eingebettete Ingenieure.
2. Eingebaute Fehlererkennung
Eines der Hauptmerkmale des CAN-Bus-Protokolls besteht darin, dass es die zentrale Steuerung elektronischer Geräte unterstützt, die mit dem Netzwerk verbunden sind. In der physischen Schicht des CAN-Busses wird jedes elektronische Gerät als Knoten bezeichnet. Knoten können mit anderen Knoten im Netzwerk kommunizieren, und jeder Knoten benötigt einen Mikrocontroller, einen CAN-Controller und einen CAN-Sender.
Während jeder Knoten Nachrichten senden und empfangen kann, können nicht alle Knoten gleichzeitig kommunizieren. Das CAN-Bus-Protokoll verwendet eine Technik, die als verlustfreie bitweise Arbitrierung bezeichnet wird, um diese Situationen zu lösen und zu bestimmen, welchem Knoten "Priorität" zugewiesen werden soll, um seine Nachricht zuerst zu kommunizieren.
Die Fehlerbehandlung ist in das CAN-Protokoll integriert, wobei jeder Knoten auf Übertragungsfehler prüft und seinen eigenen Fehlerzähler verwaltet. Knoten senden eine spezielle Fehlerflag-Nachricht, wenn Fehler erkannt werden, und zerstören den fehlerhaften Busverkehr, um zu verhindern, dass er sich im System ausbreitet. Sogar der Knoten, der den Fehler erzeugt, erkennt seinen eigenen Übertragungsfehler, erhöht seinen Fehlerzähler und führt das Gerät schließlich dazu, den Bus auszuschalten und nicht mehr am Netzwerkverkehr teilzunehmen. Auf diese Weise können CAN-Knoten sowohl Fehler erkennen als auch verhindern, dass fehlerhafte Geräte unbrauchbaren Busverkehr erzeugen.
3. Robustheit
Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sind wichtige Problembereiche bei der Auswahl eines Kommunikationsprotokolls für die Bereitstellung in Ihren Embedded Engineering-Projekten. Wenn Sie Ihre Produkte in der Live-Umgebung bereitstellen, sollten Sie ein Kommunikationsprotokoll auswählen, das sich selbst trägt und über einen längeren Zeitraum ohne Wartung oder Eingriffe von außen weiter betrieben werden kann.
Dieser Bedarf macht die Fehlererkennungsfunktionen des Protokolls besonders vorteilhaft, da sie es Systemen ermöglichen, Fehler selbst zu identifizieren und zu beheben, ohne dass ein externer Akteur eingreifen muss. Es gibt fünf Mechanismen zum Erkennen von Fehlern im CAN-Protokoll:
CAN-Hochgeschwindigkeitsbusleitungen sind sehr widerstandsfähig gegen elektrische Störungen, und die CAN-Steuerungen und Transceiver, die mit elektronischen Geräten kommunizieren, sind in industriellen oder erweiterten Temperaturbereichen erhältlich.
Ein CAN-Bus-Kabel ist normalerweise anfällig für die in der Norm ISO 11898 aufgeführten Fehlermodi, z.
Während die meisten CAN-Transceiver diese Art von Fehlern nicht überleben, haben einige Elektronikhersteller fehlerresistente CAN-Transceiver konstruiert, die alle von ihnen handhaben können, obwohl sie als Kompromiss möglicherweise eine eingeschränkte Höchstgeschwindigkeit haben. Zusammen erweitern diese Funktionen die Eignung von CAN-Bus-Netzwerken für Anwendungen im Mo.
Die CAN-Bus-Technologie ist in allen Branchen weit verbreitet. Dank seiner Robustheit, Flexibilität und der damit verbundenen Kosteneinsparungen wurden CAN-Bus-Netzwerke implementiert in:
Das CAN-Bus-Protokoll wird auch in Zukunft die Netzwerktechnologie der Wahl für den Anschluss elektronischer Geräte bleiben, die häufige und einfache Kommunikation erfordern. Ethernet TCP / IP, eine führende Alternative zum CAN-Bus, kann immer noch nicht die gleichen geringen Ressourcenanforderungen, kostengünstigen Implementierungen, Zuverlässigkeit und Fehlerbehebungsfunktionen von CAN-Bus-Netzwerken bieten. Wir werden weiterhin sehen, dass CAN-Netzwerke in IoT-Geräten, industriellen Automatisierungsanwendungen, verbundenen medizinischen Geräten und noch anspruchsvolleren und hochtechnologischeren Anwendungen wie Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt werden.
eVisionSytems bietet Tools mit der Funktionalität, die Sie benötigen, um Testübertragungen in Ihrem CAN-Bus-Netzwerk zu senden oder eine nicht störende Überwachung durchzuführen, um den Netzwerkverkehr zu untersuchen, Fehler zu erkennen und diese so schnell wie möglich zu korrigieren. Mit der Komodo CAN Solo-Schnittstelle können eingebettete Ingenieure Daten übertragen oder den Bus überwachen. Das Komodo CAN Duo Interface verfügt über zwei CAN-Kanäle, mit denen Ingenieure Daten aus zwei CAN-Bus-Netzwerken gleichzeitig emulieren und überwachen können.
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