Was ist ein CAN-Bus und welche Rolle spielt er in Automobilsystemen?

Jul 20, 2023

Ein modernes Fahrzeug kann mehr als 70 Computer an Bord haben. Auf diese Weise kommunizieren diese Systeme miteinander.

Sie stiegen in Ihr Auto, drückten den Startknopf und der Motor erwachte im Handumdrehen zum Leben, aber wie hat Ihr Auto entschieden, ob es starten sollte oder nicht?

Um das Auto zum Starten zu bringen, kommunizierten mehrere Antennen und elektronische Steuergeräte mit dem Schlüsselanhänger. Das Controller Area Network (CAN)-Protokoll stellt sicher, dass die Kommunikation zwischen Ihrem Schlüsselanhänger, Ihren Antennen und Steuergeräten ordnungsgemäß in Ihrem Auto erfolgt.

Was ist also das CAN-Protokoll und wie unterstützt es die Zusammenarbeit der Geräte in den Systemen Ihres Fahrzeugs? Nun, lass es uns herausfinden.

Damals verfügten Autos nicht über viel Elektronik. Tatsächlich musste man zu Beginn des 20. Jahrhunderts, wenn man sein Fahrzeug starten wollte, aus dem Fahrzeug aussteigen und den Motor von Hand anlassen.

Heutige Autos hingegen verfügen über mehrere elektronische Sensoren, und elektronische Geräte überwachen alles von der Innenraumtemperatur bis zur Umdrehung der Kurbelwelle.

Allerdings sind die von diesen Sensoren empfangenen Daten erst dann wertlos, wenn sie verarbeitet werden. Diese Datenverarbeitung wird von Computergeräten durchgeführt, die als elektronische Steuereinheiten (ECUs) bekannt sind.

Im Gegensatz zu einem Computer mit einer einzelnen CPU verfügt ein Auto über mehrere Steuergeräte, von denen jedes für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe verantwortlich ist. Obwohl diese Steuergeräte eine einzelne Aufgabe effizient ausführen können, müssen sie zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass Funktionen wie ABS und ESC ordnungsgemäß funktionieren.

Aus diesem Grund müssen alle Steuergeräte eines Autos miteinander verbunden sein. Um diese Verbindungen herzustellen, könnte man eine Punkt-zu-Punkt-Topologie verwenden, bei der jedes Steuergerät direkt mit jedem anderen Steuergerät verbunden ist. Allerdings würde diese Architektur das System komplex machen. Tatsächlich verfügt ein modernes Fahrzeug über 70 Steuergeräte, und eine Eins-zu-eins-Verbindung würde das Gewicht der Verkabelung exponentiell erhöhen.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Bosch 1986 zusammen mit Mercedes-Benz und Intel das Controller Area Network-Protokoll. Dieses Protokoll ermöglichte es Steuergeräten, über einen gemeinsamen Datenbus, den sogenannten CAN-Bus, miteinander zu kommunizieren.

Das CAN-Protokoll ist eine nachrichtenbasierte Kommunikationsmethode, die zur Datenübertragung auf einer Reihe von Twisted-Pair-Kabeln basiert. Diese Leitungen werden als CAN-High und CAN-Low bezeichnet.

Um die Datenübertragung auf diesen Leitungen zu ermöglichen, werden ihre Spannungspegel geändert. Diese Änderungen der Spannungspegel werden dann in Logikpegel übersetzt, die es den Steuergeräten eines Fahrzeugs ermöglichen, miteinander zu kommunizieren.

Zur Übertragung der logischen Eins auf dem CAN-Bus wird die Spannung beider Leitungen auf 2,5 Volt eingestellt. Dieser Zustand wird auch als rezessiver Zustand bezeichnet, was bedeutet, dass der CAN-Bus für die Nutzung durch jedes Steuergerät verfügbar ist.

Im Gegensatz dazu wird eine logische 0 auf dem CAN-Bus übertragen, wenn die CAN-High-Leitung eine Spannung von 3,5 Volt und die CAN-Low-Leitung eine Spannung von 1,5 Volt aufweist. Dieser Zustand des Busses wird auch als dominanter Zustand bezeichnet, der jedem Steuergerät im System mitteilt, dass ein anderes Steuergerät sendet. Daher sollten sie warten, bis die Übertragung beendet ist, bevor sie mit der Übertragung ihrer Nachricht beginnen.

Um diese Spannungsänderungen zu ermöglichen, sind die Steuergeräte des Fahrzeugs über einen CAN-Transceiver und einen CAN-Controller mit dem CAN-Bus verbunden. Der Transceiver ist dafür verantwortlich, die Spannungspegel auf dem CAN-Bus in Werte umzuwandeln, die das Steuergerät verstehen kann. Der Controller hingegen dient der Verwaltung der empfangenen Daten und stellt sicher, dass die Anforderungen des Protokolls erfüllt werden.

Alle diese an den CAN-Bus angeschlossenen Steuergeräte können Daten über das verdrillte Kabel übertragen, allerdings gibt es einen Haken: Nur die Nachricht mit der höchsten Priorität kann auf dem CAN-Bus übertragen werden. Um zu verstehen, wie ein Steuergerät Daten auf dem CAN-Bus überträgt, müssen wir die Nachrichtenstruktur des CAN-Protokolls verstehen.

Immer wenn zwei Steuergeräte kommunizieren wollen, werden Nachrichten mit folgendem Aufbau auf dem CAN-Bus gesendet.

Diese Nachrichten werden durch Ändern der Spannungspegel auf dem CAN-Bus übertragen, und das Twisted-Pair-Design der CAN-Kabel verhindert eine Datenverfälschung während der Übertragung.

Zusätzlich zu den oben genannten Bits sind im CAN-Protokoll einige Bits für die zukünftige Verwendung reserviert.

Nachdem wir nun ein grundlegendes Verständnis davon haben, wie eine Nachricht auf dem CAN-Bus aussieht, können wir verstehen, wie Daten zwischen verschiedenen Steuergeräten übertragen werden.

Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass unser Auto über drei Steuergeräte verfügt: Knoten 1, Knoten 2 und Knoten 3. Von den drei Steuergeräten möchten Knoten 1 und Knoten 2 mit Knoten 3 kommunizieren.

Sehen wir uns an, wie das CAN-Protokoll dazu beiträgt, die Kommunikation in einem solchen Szenario sicherzustellen.

Obwohl die vom CAN-Protokoll verwendete Nachrichtenstruktur gleich bleibt, werden die Geschwindigkeit der Datenübertragung und die Größe der Datenbits geändert, um höhere Datenbandbreiten zu übertragen.

Aufgrund dieser Unterschiede gibt es verschiedene Versionen des CAN-Protokolls. Nachfolgend finden Sie einen Überblick darüber:

Das CAN-Protokoll ermöglicht die Kommunikation mehrerer Steuergeräte untereinander. Diese Kommunikation ermöglicht Sicherheitsfunktionen wie die elektronische Stabilitätskontrolle und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme wie die Erkennung des toten Winkels und die adaptive Geschwindigkeitsregelung.

Allerdings steigt mit der Einführung fortschrittlicher Funktionen wie dem autonomen Fahren die Menge der über den CAN-Bus übertragenen Daten exponentiell an. Um diese Funktionen zu ermöglichen, kommen neuere Versionen des CAN-Protokolls wie CAN FD auf den Markt.

Nischay ist Absolvent der Elektronik- und Kommunikationstechnik und hat ein Gespür für die Vereinfachung alltäglicher Technologie. Seit 2020 macht er Technik leicht verständlich und arbeitet mit Publikationen wie Candid.Technology, Technobyte, Digibaum und Inkxpert zusammen. Darüber hinaus liebt Nischay Automobiltechnik und arbeitet seit zwei Jahren als Ingenieur bei Stellantis. Er verfügt über umfassende Kenntnisse über die Funktionen, die moderne Autos sicherer und einfacher zu fahren machen.