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Der CAN-Bus -  Grundlagen von Automobil Bussystemen

Kfz-Elektrik

Bits und Bytes

Datenübertragung

EVA-Prinzip

Warum CAN-Bus?

Elektronische Systeme im Kfz haben in den letzten Jahrzehnten rasant zugenommen. Es gibt inzwischen einen großen Anteil an Elektronik und dafür weniger Mechanik. Dies wird auch durch den vor wenigen Jahren geschaffenen Beruf des Kfz-Mechatronikers ausgedrückt, der den bisherigen Kfz-Mechaniker abgelöst hatte. Ständig steigende Anforderungen an Fahrsicherheit, Abgasverhalten und Kraftstoffverbrauch erfordern einen zunehmenden Austausch von Informationen zwischen den Steuergeräten bzw. eine immer umfassendere Zentralelektronik.

vernetzte Steuergeräte in einem Mercedes

Elektronische Steuergeräte von Fensterheber, Zentralverriegelung und Co. verrichten ganz selbstverständlich ihren Dienst.

Motor-und Getriebesteuerung, ABS, ESP, Airbag sorgen unersetzlich für Vortrieb und Sicherheit.

Multimedia-Komponenten wie Navigationssystem, CD-Player oder Internet findet man nicht mehr nur in Oberklassemodellen wie bei Audi, BMW oder Mercedes.

Dies ist aber alles nur möglich geworden, weil die moderne Elektronik Informationen untereinander austauscht.

Der CAN-Bus

Da bei einer herkömmlichen Verkabelung für jede Information je eine Leitung benötigt wird, steigt mit zunehmendem Funktionsumfang der Kfz-Elektronik die Länge und das Gewicht des Kabelbaumes sowie die Anschlüsse an den Steuergeräten. Abhilfe schafft hier der CAN-Bus, der sämtliche Informationen über lediglich zwei Leitungen überträgt. Datenbusse, auch CAN (Controlled Area Network) genannt, verbinden bis zu 100 verschiedene Steuermechanismen miteinander, die unter der Motorhaube eines Wagens zusammenspielen. Schaut man in eine Autozeitung, so wird dort mittlerweile ebenfalls Wert darauf gelegt, die technischen und elektronischen Finessen der neusten Automobile anstatt der verbliebenen Mechanikelemente zu erklären. In erster Linie wird dort jedoch über Erscheinungsbild, Geschwindigkeit und Verbrauch von neuen Fahrzeugmodellen berichtet, da dies Komponenten sind, die den Käufer am meisten interessieren.

CAN Prinzip
Der CAN- Bus ist ein serieller Datenbus, der gleichberechtigte Stationen miteinander verbindet. CAN wird zur Vernetzung von Steuergeräten eingesetzt.

Einfach ausgedrückt können sich die angeschlossenen Steuergeräte über die Leitungen „unterhalten“ und gegenseitig Informationen austauschen.

Beim Bus-System funktioniert die Datenübertragung ähnlich wie bei einer Telefonkonferenzschaltung. Im Kraftfahrzeug sind die einzelnen Steuergeräte miteinander vernetzt. Bei der Telefonkonferenz "spricht" ein Teilnehmer (Steuergerät) seine Informationen (Daten) in das Leitungsnetz hinein, während die anderen Teilnehmer diese Informationen "mithören" .

Einige Teilnehmer finden diese Informationen interessant und werden sie nutzen. Andere Teilnehmer wiederum nicht.

Dadurch können komplexe Systemfunktionen erreicht werden, wie z.B. bei Schaltvorgängen eines automatischen Getriebes. Der CAN  ist ein 2-Draht-Bussystem (Twisted Pair) und kann trotz des einfachen Aufbaus sehr große Netzwerke mit bis zu 100 Steuergeräten bilden. Die Datenübertragung erfolgt seriell in Datenpaketen, deren Aufbau standardisiert ist. Die Vorgänge bei der Übertragung, der Fehlersicherung, der Fehlerkorrektur und der Bestätigung sind genau festgelegt und in der CAN-Spezifikation (Bosch) beschrieben.

Vorteile CAN gegenüber konventioneller Verdrahtung

Bussysteme ermöglichen eine deutliche Reduzierung  von Kabeln und Steckern. Preis und Gewicht sinken dadurch.  Es entsteht eine Erweiterte Kommunikationsfähigkeit, die durch eine einfache Verkabelung nicht möglich wäre. Durch Diagnosekomponenten ist eine ständige Kontrolle vorhanden. Ein Protokoll erkennt Übertragungsfehler, die zum Beispiel aufgrund elektromagnetischer Einstrahlung entstehen können, und korrigiert sie automatisch durch Sendewiederholung. Sicherheit ist somit auch durch Redundanz gegeben. Modularisierung z.B. von Steuergeräten senkt ebenfalls den Preis, da Steuergeräte häufig nur entsprechend programmiert werden müssen.

In zunehmendem Umfang werden inzwischen auch Sensoren (z.B. Lenkwinkelsensor) und Aktoren (z.B. Wischermotor VW) mit Prozessoren ausgerüstet, um die Daten aufzubereiten. Wenn die Daten solcher intelligenter Komponenten direkt auf das Bussystem gelangen, belasten sie die Steuergeräte nicht mit der Weiterleitung. Im Diagnosebereich wird der CAN-Bus für die Übermittlung der Zustände und Fehlerspeicher genutzt, sowie für die Flash-Programmierung der Steuergeräte.

Die Vorteile der linearen CAN-Bus-Topologie auf einen Blick:

  • kleinerer Kabelbaum, der Verkabelungsaufwand ist gering

  • Als Übertragungsmedium dient eine preiswerte und einfach zu handhabende verdrillte Zweidrahtleitung.

  • Sensoren mehrfach nutzbar

  • CAN-Stationen können nachträglich relativ einfach in den bestehenden CAN-Bus eingefügt und entfernt werden. Es muss lediglich die Verbindung zur Busleitung hergestellt bzw. getrennt werden. Dieser Aspekt spielt besonders bei der Fehlersuche und Reparatur ein bedeutende Rolle

  • Der Ausfall einer CAN-Station hat keine unmittelbaren Auswirkungen auf den CAN-Bus. Alle anderen Stationen können weiterhin uneingeschränkt kommunizieren.
     

Die Nachteile dieser Bustopologie wirken sich wie folgt auf den CAN-Bus aus:

  • Die Busleitung kann nicht beliebig lang ausgeführt werden, da die elektrischen Eigenschaften (z.B. Signalreflexionen) im Zusammenhang mit der Übertragungsgeschwindigkeit physikalische Grenzen setzen.

  • Das Gleiche gilt auch für die Stichleitungen zu den Steuergeräten im Kfz. Je nach Übertragungsgeschwindigkeit dürfen sie eine bestimmte Länge nicht überschreiten.

  • Um die Signalgüte zu optimieren, müssen die Enden der Busleitung mit Abschlusswiderständen "terminiert" werden. Besonders bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten kann ein nicht richtig terminiertes Kabelende den gesamten Bus funktionsunfähig machen.

Geschichtliche Entwicklung des CAN

  • CAN wurde ab 1983 von Bosch auf Anforderung von Daimler-Benz und BMW als Automobilbus entwickelt. Grundlage hierfür war die Tatsache, dass ein Mittelklasse-Pkw über 600 verschiedene Kabelbaumtypen mit mehr als 2000 Metern Kabellänge und über
    100 kg Gewicht gehabt hatte.

  • 1987 Erster CAN Chip von INTEL

  • seit 1989 Serienbausteine für den Einsatz im Fahrzeug

  • Seit 1992 wird CAN in der Mercedes S-Klasse eingesetzt, später folgten auch andere Automobilhersteller.

  • Mit der Zeit haben sich unterschiedliche Autobusprotokolle herausgebildet wie z. B. CAN, VAN, J1850, ABUS. VAN und ABUS-Protokolle sind inzwischen zugunsten von CAN aufgegeben worden.

  • Seit 1994/95 ist CAN das am meisten verbreitete Protokoll für Automobilanwendungen.

  • 2001 Auch bei Kleinwagen wird der CAN-Bus im Triebstrang und im Karosseriebereich eingesetzt.
    2002 In Oberklasse-Fahrzeugen werden optische Busse eingesetzt. Sie dienen der Übertragung von Steuer-, Video- und Audiodaten, beim 7er BMW auch zur Auslösung von Rückhaltesystemen. Die Signale werden über Kunststoff-Lichtwellenleiter übertragen.
    2003 Audi setzt im neuen A8 die aus der GSM-Technologie bekannte Bluetooth-Schnittstelle zur drahtlosen Übertragung zwischen der Telematikeinheit und dem mobilen Bedienhörer ein.
     

CAN Klassen

Aktuelle Kraftfahrzeuge vernetzen bereits eine große Zahl von Steuergeräten miteinander, die unterschiedliche Anforderungen mit sich bringen. Daher werden im Kfz mehrere CAN-Bussysteme verbaut. Diese unterscheiden sich vor allem in der Übertragungsgeschwindigkeit und werden in drei Klassen eingeteilt.

CAN A

< 10 kBit / s

Diagnose (konventionell)

Kfz mit CAN-Bus verfügen über ein ein Diagnosesystem. Solche Systeme lesen Fehlerspeicher aus und ermöglichen eine Stellglieddiagnose. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit ist nicht so wichtig, da die Daten nur gelegentlich in der Werkstatt zu Wartungs- und Diagnosezwecken ausgelesen werden. Der Diagnoseanschluss (auch K-Leitung und L-Leitung genannt) muss aber robust und fehlertolerant sein. Bei neueren Fahrzeugen wird die Diagnose direkt an der eigentlichen Busleitung (CAN C) durchgeführt.

CAN B

< 125 kBit / s

Komfort, Display, Karosserie

Über diesen (Low-Speed-CAN) Bus kommunizieren z.B. Steuergeräte für Beleuchtung, Klimaanlage, Verriegelung und Armaturen. Hier ist eine Übertragung wichtiger Daten bei nicht so hoher Geschwindigkeit wichtig (z.B. K-CAN, Karosserie-CAN, Komfort-CAN). Der Bus muss trotzdem ausfallsicher und robust sein. Daher arbeitet er im Kfz meist nach dem fehlertoleranten Standard ISO 11989-3.

CAN C 

< 1 MBit / s

Motor, Getriebe, Diagnose (Bus)

An diesem (High-Speed-CAN) Bus sind z.B. die Steuergeräte für Motormanagement, Getriebe, ESP, ASR und ABS angeschlossen. Der Bus muss echtzeitfähig sein, d.h. die Datenübertragung darf sich durch den Bus nur extrem kurz verzögern. Mittlerweile ist auch eine Echtzeit-Diagnose über einen eigenen Diagnose-Bus möglich. Dieser Bus muss schnell sein, weil große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden müssen. Im Kfz kommt meist der Standard ISO 11898-2 zum Einsatz.
 

Verschiedene Bussysteme im Vergleich

Die in modernen Kraftfahrzeugen eingesetzten Komponenten stellen unterschiedliche Anforderungen an das eingesetzte Bussystem. Beispielsweise erfordert der Einsatz im Bereich des Motormanagements eine schnelle Datenübertragung, eine Klimaanlage hingegen muss nicht innerhalb von Sekundenbruchteilen auf Änderungen der Temperatur im Fahrgastraum reagieren. Hier können deutlich höhere Verzögerungszeiten in Kauf genommen werden.

Zumeist werden verschiedene und unterschiedlich schnelle Bussysteme in einem Kfz eingesetzt. Der Antriebsbus (z.B. Powertrain-CAN) umfasst die Motor-, Getriebe- und Bremsen-Steuergeräte sowie weitere direkt damit zusammenhängende Sensoren/Aktoren. Er ist ein Highspeed-CAN. Über einen Komfort-CAN  oder einen Karosserie-CAN laufen Komfortsysteme wie Fensterheber, Sitzmemory oder Reifendruck. Einfache Anwendungen wie Klimaanlage oder Wischersteuerung nutzen häufigen einen Eindraht-Bus (LIN). Im Infotainmentbereich werden auf Grund der großen Datenmengen MOST Busse mit Lichtwellenleitern eingesetzt. In einem oder auch mehreren zentralen Modulen (Gateways) laufen die Informationen zusammen und werden auf das jeweilige Bussystem "abgestimmt". Die Daten werden auch von einem ins andere CAN-System weitergeleitet. Gateways können für Diagnosezwecke abgefragt werden.

Bussysteme Übersicht

CAN-Bus

Der CAN-Bus existiert in verschiedenen Varianten. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der er Daten übertragen kann, wird er in den Bereichen Antrieb, Komfort und zur Diagnose eingesetzt. Low Speed bis High Speed, 100 bis 500 kBit/s incl. Diagnose CAN
LIN Der LIN-Bus (Local Interconnect Network) ist ein preiswertes dem CAN-Bus untergeordnetes Sub-Bussystem; er wird für die Ansteuerung bestimmter lokaler Komfort-Komponenten oder für Sensoren verwendet. - max. 20 kBit/s
MOST

(Media Oriented Systems Transport) optisches Hochgeschwindigkeits-Multimedia-Bussystem, meist ringförmig, Sehr hohe Übertragungsrate (23 MBit/s)
Bluetooth

Bluetooth-Funkstrecke erfordert auf kurzen Distanzen keine Verkabelung und dient zur sicheren Übertragung von Sprach-Signalen.
Das Bild zeigt eine vereinfachte und verkürzte Darstellung der Bussysteme, die in einem Audi A8 (ab Modelljahr 2003) verwendet werden

Weitere Bus-Systeme

FlexRay Echtzeitfähiges High-Speed Bussystem (Datenrate 10 Mbit/s) für sicherheitskritische Anwendungen,

Eignung für Echtzeitsysteme. Einsatz als Backbone für andere Bussysteme geplant; zukünftig ggf. als Ersatz für heutige High-Speed-CAN, langfristig: Brake-by-Wire, Steer-by-Wire - Topologie: Linienstruktur, Stern - Anwendung z.B. in der AdaptiveDrive Sonderausstattung des BMW X5 (Model 2007); per Flexray werden Stoßdämpferventile gesteuert, die das Fahrwerksverhalten anpassen.

byteflight Hochwertiges sternförmig aufgebautes Bussystem - sehr schnell (10 Mbit/s), stabil, aber teuer. Übertragungsmedium Lichtwellenleiter. Anwendung aktuell in der BMW-Oberklasse, dort vorzugsweise im Antriebsstrang und bei Sicherheitssystemen, z.B. Airbag.
  D2B Optical DaimlerChrysler 5,65 Mbit/s

Bustopologie CAN und andere Bussysteme

  • Lineare Topologie

Die Teilnehmer sind durch kurze Stichleitungen mit einer Hauptleitung verbunden. Jede Kommunikation läuft über diese Hauptlinie. Wird diese unterbrochen, so entstehen zwei Segmente, die meist noch funktionsfähig bleiben. Diese lineare Topologie wird auch "Bustopologie" genannt. CAN arbeitet standardmäßig mit einer linienförmigen Topologie.

  • Baumförmige (verzweigte) Topologie

Die Baumtopologie zeichnet sich durch Verzweigungen an beliebiger Stelle aus. Dadurch sind flexible Kombinationen aus Stern- und Linientopologie möglich.

  • Ringtopologie

Kennzeichnend sind die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Teilnehmern. Alle Verbindungen sind zu einer geschlossenen Kette angeordnet. Die Kommunikation kann nur in einer Richtung erfolgen. Ein Befehl von Gerät A zum Gerät B muss meistens über ein anderes Gerät laufen. Fällt eine Teilstrecke aus, ist meist das gesamte System funktionslos. Über eine Diagnoseleitung kann der Fehler lokalisiert werden. z.B. Bei MOST Bussystem

  • Sterntopologie

Hier gibt es einen zentralen Knotenpunkt, an dem alle Teilnehmer angeschlossen sind. Jeder Teilnehmer hat seine eigene Leitung. Fällt der zentrale Punkt aus, so bricht die gesamte Kommunikation zusammen. z.B. bei Byteflight

- Weitere Einzelheiten zum CAN:

CAN-Antrieb

  • z.B. Motor-, Getriebe-, ABS-, ESP-, Airbagsteuergerät
  • , Schalttafeleinsatz
  • ISO-Standard 11898-2 (High- Speed-CAN) für schnelle Datenübertragung
  • Datenrate 500kBit/s
  • 2-Draht-Busleitung, verdrillt,  Querschnitt von je 0,35 mm2
  • an beiden Enden mit dem Wellenwiderstand (120 Ω)
  • bei VW: CAN High = orange/schwarz, CAN Low = orange/braun
  • Der rezessive Pegel beträgt 2,5 V auf beiden Leitungen, der dominante Pegel 3,5 V für CAN H und 1,5 V für CAN L
  • bei VW: CAN H 3,75 V und CAN L 1,25 V
  • PT-CAN (Powertrain-CAN) bei BMW (H 4 V, L 1V) ,
    Die Bus-Struktur des PT-CAN unterscheidet sich durch die dritte Leitung. Diese dient lediglich als Wake-up-Leitung, die die Steuergeräte aus dem Sleep-Modus (Stromsparbetrieb) in den normalen Betriebszustand bringt. Der CAN-Datenbus Antrieb (VW) wird mit Klemme 15, bzw. nach kurzer Nachlaufzeit abgeschaltet.
     

Spannungsänderungen auf den CAN-Leitungen bei Wechsel zwischen dominantem und rezessivem Zustand am Beispiel des CAN-Datenbus Antrieb:

Im Ruhezustand liegen beide Leitungen auf dem gleichen voreingestellten Wert von 2,5 V. Dieser Ruhepegel wird auch als rezessiver Zustand bezeichnet. Im dominanten Zustand steigt die Spannung auf der CAN-High-Leitung um mindestens 1V an. Die Spannung auf der CAN-Low-Leitung fällt um mindestens 1V. Daraus ergibt sich, dass beim CAN-Datenbus Antrieb die Spannung auf der CAN-High-Leitung im aktiven Zustand auf mindestens 3,5V ansteigt (2,5V + 1V = 3,5V). Die Spannung auf der CAN-Low-Leitung fällt dann auf noch maximal 1,5V ab (2,5V - 1V = 1,5V). Demnach beträgt die Spannungsdifferenz zwischen CAN-High und CAN-Low im rezessiven Zustand 0V sowie im dominanten Zustand mindestens 2V.

Signalverlauf CAN-Antrieb:

CAN-Antrieb VW

Quelle: VW

Da die Datenbus-Leitungen auch im Motorraum verlegt sind, werden diese auch unterschiedlichen Störeinflüssen ausgesetzt. So sind Kurzschlüsse gegen Masse und Batteriespannung, Überschläge aus der Zündanlage und statische Entladungen bei der Wartung denkbar. Durch die Auswertung der Signale von CAN-High und CAN-Low im Differenzverstärker des Transceivers, werden über die sogenannte differenzielle Übertragungstechnik Einwirkungen von Störungen weitestgehend eliminiert. Ein weiterer Vorteil der differenziellen Übertragungstechnik liegt darin, dass auch Bordnetzschwankungen (z.B. beim Anlassen des Motors) sich nicht auf die Datenübertragung zu den einzelnen Steuergeräten (Übertragungssicherheit) auswirken.

 

CAN-Komfort / K-CAN (Karosserie-CAN)

  • ISO-Standard 11519 (früher) bzw. ISO 11989-3 (Low- Speed-CAN)
  • Datenrate 100kBit/s
  • 2-Draht-Busleitung, verdrillt, ungeschirmt, Querschnitt von je 0,35 mm2
  • bei VW: CAN High = orange/grün, CAN Low = orange/braun
  • Der CAN-Datenbus Komfort wird mit Klemme 30 versorgt und muss in Bereitschaft bleiben. Um das Bordnetz möglichst wenig zu belasten, geht das System nach „Klemme 15 aus“ in den sogenannten „Sleepmode“, wenn es für das Gesamtsystem nicht benötigt wird.
  • Der CAN-Datenbus Komfort kann bei einem Kurzschluss auf einer Datenbus-Leitung, bzw. bei der Unterbrechung einer CAN-Leitung, mit der verbleibenden Leitung weiter betrieben werden. Es erfolgt eine automatische Umschaltung auf den „Eindrahtbetrieb“.
  • Das CAN-High-Signal liegt im rezessiven Zustand (Ruhepegel) auf 0V, im dominanten Zustand wird eine Spannung von 3,6V erreicht. Bei dem CAN-Low-Signal liegt der rezessive Pegel auf 5V, der dominante Pegel auf 1,4V. Damit liegt der rezessive Pegel nach der Differenzbildung im Differenzverstärker bei - 5V und der dominante Pegel bei 2,2V. Die Spannungsänderung zwischen dem rezessiven und dem dominanten Pegel (Spannungshub) wurde somit auf 7,2V erhöht.
  • Der Low Speed CAN ist störunanfälliger, weil zum einen die Abhängigkeit der beiden CAN-Signale voneinander, durch unabhängige Leistungsverstärker aufgehoben wird, und im Gegensatz zum CAN-Datenbus Antrieb die CAN-High- und die CAN-Low-Leitung nicht über Widerstände miteinander verbunden sind. Das heißt, dass CAN-High und CAN-Low sich nicht mehr gegenseitig beeinflussen, sondern unabhängig voneinander als Spannungsquellen arbeiten.

Signalverlauf CAN-Komfort:

CAN Komfort

Quelle: VW

 

Gateway/Diagnosebus

Die einzelnen Bussysteme senden ihre Daten an das Gateway. Dieses stellt sicher, dass die systemübergreifenden Daten, obwohl sie unterschiedliche Kommunikationsstrukturen und Geschwindigkeiten haben, im ganzen Systemverbund zur Verfügung stehen.  Beim Ausfall eines Bussystems oder bei der Weiterleitung von Daten erfüllt es zusätzlich die Aufgaben eines Filters. Es ist in der Lage, Störungen und Datenmengen zu filtern. Manche Kfz besitzen mehrere Gateways. Oft befindet sich ein Gateway im Kombiinstrument.

Der Gateway Diagnose-CAN dient dem Datenaustausch zwischen dem Diagnosegerät und der im Fahrzeug verbauten Steuergeräte. Die früher verwendeten K- oder L-Leitungen entfallen mit Ausnahme abgasrelevanter Steuergeräte.

Durch die schnelle Datenübertragung über CAN und durch das  Gateway selbst, ist das Diagnosegerät in der Lage, direkt nach Anschluss an das Fahrzeug einen Überblick über die verbauten Komponenten und deren Fehlerstatus anzuzeigen.

Der Diagnose-CAN nutzt eine ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung mit einem Querschnitt von je 0,35 mm2. Die CAN-High-Leitung ist bei VW orange/violett, die CAN-Low-Leitung ist orange/braun. Die Datenübertragung erfolgt mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 500 KBit/s. 

Über den OBD-Stecker besteht die Möglichkeit, auf den CAN - Bus zuzugreifen.

 

Gateway

Pin-Belegung an  der Diagnosesteckdose (SAE 1962)

OBD Belegung

Pinbelegung:  2+10 Datenübertragung nach SAE J 1850 (USA) ISO 9141-2 (Europa), 4+5 Fahrzeugmasse und Signalmasse, 6+14 Datenübertragung CAN High und Low, 7+15 Datenübertragung nach ISO 9141-2 (Europa) auch K und L Ausgang, 16 Batterie Plus (Kl. 15 oder 30)

Datenübertragung

Bits und Bytes

 

EVA-Prinzip

Quellen: VW, BMW, Mercedes, Opel, Multiplikator Lehrgang, BTZ Ingolstadt

Autor: Johannes Wiesinger


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redaktionell bearbeitet: Johannes Wiesinger

geändert: 20.06.2014