CAN in Automation e.V. CAN FD - schnell und zuverlässig

Classic CAN und CAN FD im gleichen Netzwerk

Aus Anwendersicht wäre es ideal, wenn bestehende CAN-Steuergeräte die CAN-FD-Kommunikation tolerieren würden. Mit den bisherigen CAN-Controllern ist das allerdings nicht möglich, da diese die CAN-FD-Nachrichten durch das Senden einer Fehlermeldung zerstören. Erst zukünftig wird es CAN-Controller geben, die CAN-FD-tolerant sind. Zumindest sieht das die in Arbeit befindliche Norm vor.

Für eine Migration von CAN zu CAN FD bieten sich mehrere Optionen an. Man kann die beiden Protokolle in unterschiedlichen Netzwerk-Segmenten betreiben, die durch eine „Brücke“ oder einen Router verbunden sind. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Transceivern nach ISO 11898-6, die das sogenannte „Partial Networking“ unterstützen. Man müsste in diesem Fall vor der CAN-FD-Kommunikation die klassischen Steuergeräte in den Schlafmodus versetzen und sie nach abgeschlossener CAN-FD-Kommunikation mit einer speziellen CAN-Nachricht wieder aufwecken. Dazu müsste man allerdings in allen Geräten die Software ändern. Es gibt auch noch andere Vorschläge, die mit inversen Signalen arbeiten, wozu man allerdings zwei Trans­ceiver benötigt. Die sauberste Lösung wäre, dass alle Teilnehmer zumindest CAN-FD-tolerant sind, aber das ist noch Zukunftsmusik. Um CAN FD für den operativen Einsatz zu verwenden, braucht man auch kleine Mi­krocontroller mit integrierten CAN-FD-Modulen. Der Geschwindigkeitsvorteil ist nämlich nur ein Aspekt. Das größere Nutzdatenfeld von bis zu 64 Byte ermöglicht, dass die zu übertragenden Daten (mehr als 8 Byte) beim Sender auf Konsistenz geprüft werden können. Bisher mussten solche Daten auf mehrere Nachrichten aufgeteilt und beim Empfänger zusammengefügt und überprüft werden. Dies erhöhte die Komplexität der Anwendungs-Software.

Robustheit und Störfreiheit gefordert

Neben der Zuverlässigkeit fordert die Automobilindustrie auch eine robuste Kommunikation. Verwöhnt durch CAN, möchte man auch bei einer CAN-FD-Kommunikation mit höheren Bitraten möglichst wenige Störungen haben. Eine weitere Bedingung: Abstrahlungen sollen andere Geräte nicht stören. Teurer soll es selbstverständlich auch nicht werden. Dagegen spricht allerdings die Physik bzw. die Nachrichtentechnik. Bei höheren Datenraten muss man die physikalische Übertragung exakter designen. Dies beginnt bei der Topologie. Nachrichtentechnisch ist der oft verwendete Stern (manchmal auch der Doppelstern) eine Herausforderung. Stern-Netzwerke mit Datenraten von bis zu 500 kbit/s sind Stand der Technik. Bei höheren Datenraten muss man jedoch bezüglich der Oszillator-Toleranz und der Asymmetrie der dominanten und rezessiven Bits einiges beachten. Die CiA-Nutzerorganisation (CAN in Automation e.V.) erarbeitet deshalb Empfehlungen und Richtlinien für CAN-FD-Netzwerke. Die Hersteller von CAN-Transceivern müssen ihre Produkte für die höheren Bitraten über den gesamten Temperaturbereich qualifizieren. Im ersten Schritt sind Datenraten von 2 Mbit/s geplant.

Auch das Verhältnis von Arbitrierungs- zu Datenphasen-Bitrate ist von Bedeutung, da die aus der langsamen Phase mitgeschleppten Fehler in der schnellen Phase keine Störungen verursachen sollen. Nach bisherigen Untersuchungen ist ein Verhältnis von 1:8 durchaus erreichbar. Das heißt, bei einer bisher üblichen Bitrate von 250 kbit/s ist eine Beschleunigung auf 2 Mbit/s durchaus realistisch.

Verfügbarkeit von Bauelementen und Tools

Die Automobilindustrie braucht ein schnelleres CAN und sie bekommt es! Alle relevanten Hersteller von Mikrocontrollern für Autos implementieren derzeit mit Hochdruck CAN FD – zuerst auf Basis von IP Cores von Drittherstellern, danach werden zusätzlich eigene Implementierungen folgen. Erste Produkte werden im ersten Halbjahr 2014 für Entwicklungszwecke zur Verfügung stehen. Die Serienproduktion soll dann 2016/2017 anlaufen. Für höhere Datenraten qualifizierte CAN-Trans­ceiver werden ebenfalls in Kürze zur Verfügung stehen. Die Anbieter von Software Tools (Bus Analyzer und Diagnosegeräte) haben ihre Produkte teilweise schon CAN-FD-fähig gemacht. Entsprechende Interface-Karten für PCs sind ebenfalls in der Mache. Sie basieren oft auf dedizierten CAN-FD-Bausteinen, um die besonderen Anforderungen der Tool-Schnittstellen zu erfüllen.

Und auch die Normung läuft bereits an: Das ISO-Transport-Protokoll (ISO 15765-2) und das XCP-Protokoll des ASAM e.V. werden ebenfalls CAN FD unterstützen. Das gleiche gilt für CANopen (EN 50325-4), das Anwendungsprotokoll für eingebettete CAN-basierende Netzwerke. Einen Überblick über den Stand der Technik geben die Vorträge der 14. internationalen CAN Conference (iCC), die im zugehörigen Konferenzband dokumentiert sind.

CAN war, ist und wird auch weiterhin das dominierende Bussystem im Automobilbereich bleiben. Die CAN-FD-Erweiterung verlängert meines Erachtens die Lebensdauer um mindestens zehn Jahre.