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Besseres CAN-Signal im Fahrzeugnetzwerk

Mehr Daten, schnell bitte!

03. Dezember 2020, 15:52 Uhr   |  Autor: Tony Adamson; Redaktion: Ute Häußler

Mehr Daten, schnell bitte!
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CAN FD sollte für höheren Datendurchsatz sorgen, verursachte jedoch viele Signalintegritätsprobleme. In automobilen Topologien kam die HS-CAN-Erweiterung nicht wie gewünscht zum Tragen. Neue CAN FD Transceiver sollen die Einschränkungen beseitigen und die CAN-Übertragung signifikant beschleunigen.

Immer höhere Bitraten über ein CAN-Netzwerk zu übertragen, ist keine neue Problemstellung, Bandbreite ist seit jeher gefragt. Mit der zunehmenden Digitalisierung und den damit verbundenen Datenflüssen stoßen die Automobilnetzwerke in puncto Bandbreitenkapazität immer wieder an ihre Grenzen. Die maximale Bitrate, mit der ein CAN-Netzwerk zuverlässig arbeiten kann, wurde traditionell durch die Schleifenverzögerung, einen im ISO11898-2-Standard definierten Timingparameter, begrenzt. Im Wesentlichen entsprach dies einem einfachen Prinzip: höhere Bitraten bedingen kleinere Netzwerke und damit kleinere Abstände zwischen den Knoten.

Der maximale Abstand ergibt sich aus der Arbitrierungsphase, in der alle Knoten das Signal aller anderen Knoten korrekt empfangen müssen, um gemeinsam zu vereinbaren, wer Priorität zum Senden hat. So könnte CAN FD nur in der Datenphase der Kommunikation auf höhere Bitraten beschleunigen, wenn die Arbitrierung abgeschlossen ist und nur ein Knoten sendet. Hier gilt die Anforderung an die Schleifenverzögerung nicht mehr, während sie auch bei CAN FD in der Arbitrierungsphase unverändert gilt. Daher hat jedes CAN-FD-Netzwerk zwei definierte Bitraten: die Bitrate während der Arbitrierungsphase (ähnliche Bitraten wie bei HS-CAN-Netzwerken) und die Datenphase – oder “Fast Phase“-Bitrate beim Senden der eigentlichen Daten mit wesentlich höhere Bitraten.

CAN-Beschleunigung auf 2 Mbit/s

Die Bitrate von CAN FD wurde in der ISO 11898-2:2016 zwar mit bis zu 5 Mbit/s für die Datenphase definiert, in der Praxis fiel jedoch schnell auf, dass bei den höheren Bitarten die Geschwindigkeit Grenzen hatte. Ziel ist in erster Linie ein stabiles Signal während des rezessiven Bits. Zwei topologische Effekte sorgen hier für eine Verzerrung: Einschwingvorgänge, welche durch nicht abgeschlossene Stichleitungen (oder Verzweigungen) im Kabelbaum verursacht werden, und Signalplateaus, die durch eine niedrigere charakteristische Kabel­impedanz bedingt werden. Diese beiden Effekte stören das Signal zu Beginn des rezessiven Bits und verzögern dessen Stabilisierung bei einer Differenzspannung kleiner als 0,5 V. Bei diesen 0,5 V handelt es sich um die Schwelle für den Spannungshub am Empfänger – definiert in ISO 11898-2:2016 als der Punkt, an dem alle Transceiver das Signal als rezessiv interpretieren müssen.

Die beiden Effekte waren keine spezifischen CAN-FD-Probleme, sondern traten bereits in HS-CAN-Netzwerken auf. Die höhere Bitrate in der schnellen Phase verkürzte jedoch die Dauer der einzelnen Bits erheblich und so wurden die normalerweise weit vor dem Abtastpunkt liegenden kleinen Artefakte plötzlich zu signifikanten Hürden einer zuverlässigen CAN-FD-Kommunikation.

NXP Can FD Beschleunigung automotive
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Bild 1. Beispiele für Einschwingvorgänge von Signalen bei 500 kbit/s (oben) und 2 Mbit/s (unten).

In Bild 1 zeigen die horizontalen Linien die unteren und oberen Schwellen am Empfänger. Um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten, muss das Signal zum Zeitpunkt der Abtastung unterhalb der unteren Empfängerschwelle stabil bleiben, typischerweise für etwa 70-80 % der Bitdauer. Im Beispiel mit 2 Mbit/s liegt das Signal über dieser Schwelle, wodurch eine zuverlässige Kommunikation verhindert wird.

Um die Störeffekte in den Griff zu bekommen, mussten Netzwerkentwickler die Komplexität ihrer Topologien reduzieren. Statt nicht abgeschlossener Stichleitungen wurde stattdessen mit einer reduzierten Anzahl von Knoten in einem typischerweise linearen (oder verketteten) Netzwerk gearbeitet. So war zwar eine gute Datenübertragung gewährleistet, es traten aber Nebenwirkungen auf: Eine höhere Anzahl von Netzwerkzweigen resultierte in komplexeren Gateways, mehr Anschlüssen, mehr Verkabelung im Fahrzeug sowie komplexeren Installationen und Tests während der Fahrzeugproduktion. Ein einfaches Beispiel ist das Verlegen
eines Kabels zu einem Dachmodul. Bei einer linearen Topologie muss das Kabel jetzt ein bis zwei Meter sowohl bis zum Dach als auch wieder nach unten verlaufen, anstatt dies mit einer Stichleitung zu realisieren. Dadurch erhöhen sich Kosten und Gewicht des Kabelbaums. Angesichts dieser Einschränkungen wurde CAN FD,
abgesehen von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, effektiv auf eine Kommunikation mit 2 Mbit/s beschränkt.

Verbesserung der CAN-Signale

Die Probleme bei der Signalsteuerung während des rezessiven Bits waren die treibenden Kräfte hinter der Entwicklung eines CAN-FD-Transceivers mit deutlichen Signalverbesserungen. Der neue Ansatz bringt das rezessive Si­­gnal aktiv unter den maximalen Spannungshub von 0,5 V für ein rezessives Bit, anstatt wie bei herkömmlichen Transceivern nur das dominante Signal freizugeben.

Für die aktive Steuerung des rezessiven Zustands ist es jedoch wichtig, dass alle Mechanismen der vorhandenen CAN- und CAN-FD-Protokolle vollständig zum Tragen kommen, da insbesondere die Arbitrierung, Rahmenbestätigung und Fehlerbehandlung auf dem Überschreiben rezessiver Bits mit dominanten Signalen basieren. Bei der aktiven Steuerung des rezessiven Bits muss unter allen Umständen garantiert werden, dass ein rezessives Bit zuverlässig überschrieben werden kann und die Protokolle CAN und CAN FD weiterhin funktionieren.

Als Referenz für einen solchen CAN-FD-Transceiver dient die TJA146x-Serie von NXP, welche sich im Feld bisher als robust zeigte und deutlich höhere Bitraten als herkömmliche Transceiver mit der gleichen Zuverlässigkeit erreichte. Die CAN-FD-Transceiver basieren auf einem TXD-Eingang, der eine erheblich kürzere Aktivierungszeit ermöglicht, da die Signalverbesserung bereits vor der internen Laufzeitverzögerung des Transceivers ausgelöst wird. Eine schnellere Aktivierung der Signalverbesserung bedeutet, dass Einschwingvorgänge früher im Verlauf des Bits so kontrolliert werden, dass die Kommunikation auch in Netzwerken mit stärkerem Überschwingen (also komplexeren Topologien) bzw. in einem Netzwerk mit höheren Bitraten sichergestellt ist. Die Systemreaktionen lassen sich einfach vorhersagen, da nur ein Sender die Signalverbesserung verwendet. Eventuelle unvorhersehbare Interaktionen zwischen einzelnen Knoten werden auf diese Weise verringert, und da jeder Knoten sein eigenes Signal verwaltet, bleibt bei Leistungsverlust eines Knotens die Auswirkung einzig und allein auf diesen Knoten beschränkt.

Darüber hinaus ist die CAN-Signalverbesserungstechnologie von NXP vollständig abwärtskompatibel mit herkömmlichen HS-CAN-Transceivern und entspricht vollständig der ISO 11898-2:2016-Spezifikation. Dies ermöglicht eine einfache Übernahme in eine Applikation durch einfachen Austausch des vorhandenen Transceivers. Zudem müssen nicht zwei Versionen eines Moduls erstellt werden; eines mit und eines ohne CAN-Signalverbesserung. Sollte ein CAN-Transceiver mit Signalverbesserung in einem älteren Netzwerk verwendet werden, so besteht der einzige Nebeneffekt in geringerem Überschwingen, wenn dieser Knoten sendet.

Transceiver-Symmetrie kurz erklärt

Ein wichtiges Merkmal von CAN-FD-Transceivern ist eine äußerst genaue Transceiver-Symmetrie; sie steht für die Leistungsfähigkeit eines CAN-FD-Netzwerks. Einfach ausgedrückt definiert sie, wie groß die Zeitabweichung ist, die an aufeinanderfolgenden Bitflanken von TXD zum CAN-Bus und vom Bus zu RXD zu beobachten ist. Die Differenz ist relevant, da alle CAN-Controller beim Übergang zu einem dominanten Bit synchronisiert werden und jede Transceiver-Asymmetrie potenzielle Zeitabweichungen bei der Festlegung des Abtastpunkts durch die jeweiligen Knoten bedingt.

Eine zuverlässige Kommunikation ist nur dann gewährleistet, wenn ein Si­­gnal zum Zeitpunkt der Abtastung stabil ist. Daher muss sehr genau berechnet werden, wann das Signal unter Berücksichtigung der zeitlichen Abweichungen frühestens abgetastet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt wird die Signalstabilität geprüft. Da vor diesem Zeitpunkt nicht abgetastet wird, stellen auch Signalverzerrungen kein Problem dar. Diese Phase kann als „zulässige Einschwingzeit“ bezeichnet werden.

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Bild 2. Eine genauere Transceiver-Symmetrie und ein exakter festlegter Abtastpunktes erhöhen die Leistungsfähigkeit des CAN-FD-Netzwerkes.

Die Transceiver-Symmetrie ist eine wichtige Komponente für die Berechnung der Gesamtasymmetrie innerhalb eines Netzwerks. Eine Verschärfung der Symmetriespezifikation bedeutet eine geringere zulässige Abweichung, und der frühestmögliche Abtastpunkt erscheint in Relation dazu später. Dadurch verlängert sich wiederum die Zeitspanne vor dem frühestmöglichen Abtastpunkt und gleichzeitig erhöht sich die zulässige Einschwingzeit. Im Gegensatz zur ISO 11898-2:2016, in der Symmetriewerte für 2 Mbit/s und 5 Mbit/s definiert wurden, geben einige CAN-Signalverbesserungs-Transceiver Bitraten-unabhängige Werte mit einer viel engeren Symmetriespezifikation vor. Auf diese Weise kann CAN FD wesentlich längere Einschwingvorgänge tolerieren (Bild 2), und auch die von CAN FD maximal bearbeitbare Bitrate steigt teilweise sogar bis über 5 Mbit/s hinaus.

Technologie der CAN-Signalverbesserung

Die neue Transceiver-Technologie wurde inzwischen in der Spezifikation CiA601-4 v2.0.0 definiert. Autohersteller auf der ganzen Welt haben in einer umfassenden Evaluierung bestätigt, dass mithilfe der neuen CA-FD-Trans­ceiver komplexe Netzwerke mit mehr als 5 Mbit/s zuverlässig betrieben werden können. Bei 2 Mbit/s lassen sich die möglichen Dimensionen der Netzwerktopologie erheblich ausdehnen und die Erfahrungen zeigen, dass eine bei 500 kbit/s validierte Topologie durchaus mit 2 Mbit/s funktionieren kann. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Signalverbesserung unabhängig von der Baudrate ist und ein Baustein jede Bitrate bedienen kann. Die ersten Fahrzeuge mit der CAN-FD-Weiterentwicklung werden voraussichtlich noch 2020 auf die Straßen kommen.

Durch die Verbesserung des CAN-Si­gnals werden die Möglichkeiten von CAN FD deutlich ausgeweitet. 5 Mbit/s werden für die Automobilhersteller zu einer konkreten Perspektive für zukünftige Technologieentscheidungen. Da sich die Architekturen von Fahrzeugnetzwerken über die nächsten Fahrzeuggenerationen grundlegend ändern werden, kann CAN FD nach Aussagen einiger Experten äußerst relevant werden – die Technologie ist nachweislich zuverlässig und kostengünstig.

Obwohl die CAN-Signalverbesserung theoretisch auch weit über 5 Mbit/s hinausgehen könnte, lässt sich mit einer weiteren Beschleunigung der schnellen Phase auf noch höhere Bitraten wenig gewinnen – die Arbitrierungsphase bleibt unverändert. Es besteht daher eine natürliche Verbindung von der Signalverbesserungstechnologie zu CAN-XL, die durch Erhöhung der Nutzlasten und Beseitigung von Beschränkungen im aktuellen CAN-FD-Protokoll weitere Signalverbesserungen auf der physikalischen Ebene ermöglichen würde. Dieser Technologieschritt setzt neue Protokoll-Controller auf Mikrocontroller-Ebene voraus, die mit den heutigen CAN-FD-Transceivern nicht erforderlich sind. Die Weiterentwicklung deutet vielversprechend auf eine Kommunikation bei 10-Mbit/s mit 2-Kilobyte-Frames hin und könnte das Potenzial und die Bedeutung von CAN für neue Fahrzeugnetzwerke weiter vorantreiben. UH

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Tony Adamson arbeitet im In-Vehicle Networking bei NXP in Nijmegen, Niederlande, und beschäftigt sich vor allem mit Innovationen für CAN-Netzwerke. Schwerpunkt seiner Arbeit ist die Verbesserung der Geschwindigkeit und Sicherung dieser Netzwerke. Adamson hält einen Master in Software Engineering der Universität Sheffield.

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