Der Nachrichtentechniker weiß, dass bei höheren Frequenzen die Störanfälligkeit zunimmt. Aber selbst bei sehr robusten Übertragungssystemen kann es zu Störungen kommen. Will man eine zuverlässige Kommunikation garantieren, gilt es diese Störungen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit zu erkennen und zu beheben. Das serielle Bussystem CAN, ursprünglich für die fahrzeug-interne Vernetzung von Steuergeräten entwickelt, erfüllt diese Anforderungen wie kaum ein anderes Netzwerk.

Die genormten CAN-Transceiver-ICs (ISO 11898-2) für Datenraten bis 1 Mbit/s sind im Grunde relativ robust. Kapazitive und induktive Einkopplungen von Störungen werden bis zu einem gewissen Grad durch die differentielle Übertragung der Bits toleriert. Zudem sind die handelsüblichen CAN-Transceiver in gewissen Grenzen gegen Gleichtakt- und Gegentakt-störungen sowie Kurzschlüsse (mindestens bis 24 V) resistent.

Die ersten CAN-Transceiver mit integrierter galvanischer Trennung sind schon am Markt erhältlich.

© Texas Instruments

Die CAN-Kommunikation funk-tioniert selbst dann noch, wenn die Übertragung über Schleifringe erfolgt. Deshalb kommt CAN beispielsweise auch in Windkraft-anlagen zum Einsatz. Eine nicht-galvanische Einkopplung von Störungen ist zusätzlich durch Verdrehen der beiden Busleitungen sowie durch die Verwendung von geschirmten Kabeln reduzierbar. Nicht zuletzt gibt es Ausführungen von Transceivern und CAN-Controller beziehungsweise Mikro-controllern mit integrierten CAN-Mo-dulen, die auch in einem erweitertem Temperaturbereich funktionsfähig sind, was für alle Außenanwendungen von Bedeutung ist.

Trotz der gegebenen Robustheit muss der Systementwickler sein CAN-Netzwerk nach allen Regeln der nachrichtentechnischen Kunst auslegen. Die Abschlusswiderstände an beiden Enden der CAN-Leitungen müssen beispielsweise der Impedanz der an-deren passiven Netzwerk-Elemente (Leitungen, Stecker usw.) entsprechen. Andernfalls werden Reflexionen generiert, die ein Bit zerstören können. Vor allem zu lange, unabgeschlossene Stichleitungen und sogar mechanisch verformte Leitungen (Knicke) können zu Bitfehlern führen. Dies gilt allerdings nur für Netzwerke, bei denen der Systementwickler an die physikalischen Grenzen geht beziehungsweise bei denen man die bei gegebener Netzwerk-Länge theoretisch maximale Datenrate nutzen möchte.

Weiterhin gibt es CAN-Treiberbausteine, die sich abschalten, falls sie permanent einen „dominanten“ Spannungspegel generieren. Damit lässt sich verhindern, dass ein fehlerhafter Treiberbaustein die gesamte CAN-Kommunikation lahm legen kann. Bleiben noch die galvanischen Störungen – meist verursacht durch Ausgleichsströme –, die durch Potenzialunterschiede bei Mehrfach-Erdungen entstehen können. Doch dies hat eigentlich nichts mit der CAN-Kommunikation zu tun, sondern ist bei allen Kommunikationssystemen zu beachten.

Gegenüber Ethernet-Netzwerken haben CAN-Netzwerke den Vorteil, dass sie keine aktiven Netzwerk-Komponenten wie Hubs, oder Switches benötigen. Aktive Netzwerk-Komponenten haben naturgemäß eine Ausfallwahrscheinlichkeit und begrenzen von daher die Zeit zwischen zwei Fehlern (MTBF = Meantime Between Fail-ures). Passive Komponenten wie Kabel und Stecker hingegen haben eine „unbegrenzte“ Lebensdauer, auch wenn bei Steckern eine mögliche Korrosion zu berücksichtigen ist.

Fehler werden zuverlässig erkannt

Es gibt bereits einen ARM-Prozessor mit integriertem CAN-Controller und CAN-Transceiver.

© NXP

Das CAN-Protokoll ist in der Lage, nahezu jeden Übertragungsfehler zu entdecken. Fünf beliebig verteilte Bitfehler werden durch die im CAN-Telegramm übertragene CRC-Sequenz erkannt (entsprechend einer Hamming-Distanz von 6) sowie ein Burst-Fehler von bis zu 15 Bit. Darüber hinaus prüfen die CAN-Controller das Format der CAN-Telegramme und überwachen auch die Einhaltung des korrekten Bit-Stuffings. Dieser Automatismus fügt nach fünf Bits gleicher Polarität ein Bit anderer Polarität ein. Die Wahrscheinlichkeit, eine fehlerhafte Übertragung nicht zu entdecken, ist somit äußerst gering. Da bei einer Fehlerentdeckung der Sender die Nachricht automatisch wiederholt, geht auf dem Bus keine Nachricht verloren! Somit ist eine netzwerkweite Datenkonsistenz garantiert.

Anfang der 90er Jahre wurden theoretische Berechnungen zur Restfehlerwahrscheinlichkeit erstellt – sie ist kleiner 10-12. Dabei zeigte sich, dass die Restwahrscheinlichkeit desto geringer ist, je mehr Teilnehmer sich im Netzwerk befinden. Dies scheint paradox, ist aber genauso wie bei einem Text, den mehrere Personen Korrektur lesen. In Frankreich wurden darüber hinaus CAN-Netzwerke hinsichtlich realistischer Fehler-Szenarien untersucht. Die Ereignisse zeigten, dass die theoretischen Berechnungen eine deutlich höhere Restfehlerwahrscheinlichkeit ergeben haben, als sie in der Praxis vorkommen können. Das bedeutet, dass die CAN-Netzwerke real noch zuverlässiger sind.

Aber es gibt auch kritische Zustände, in denen eine netzwerkweite Datenkonsistenz nicht mehr gewährleistet ist. Ist ein Empfänger einer Nachricht im Error-Passiv-Zustand, so kann er einen erkannten Fehler eventuell nicht mehr signalisieren. Deshalb muss er in diesem Zustand versuchen, dies den anderen Teilnehmern mitzuteilen. In CANopen gibt es dafür einen speziellen Fehlercode, der in einer Emergency-Nachricht übertragen werden kann.

Dass die CAN-Kommunikation trotz- dem wesentlich zuverlässiger ist als bei den meisten anderen Bussystemen – Ethernet eingeschlossen –, hängt auch mit der Eigenschaft von CAN-Controllern zusammen, dass sie sich sowohl bei häufig selbst produzierten Fehlern als auch bei häufig erkannten Fehlern von der Kommunikation zurückziehen (fault confinement). Dies verhindert, dass ein permanent feh-lerhafter Teilnehmer die gesamte Kommunikation behindern kann. Selbstverständlich muss der Anwender Maßnahmen ergreifen, „verlorene“ Geräte zu entdecken. In vielen CAN-open-Anwendungen wird dazu die Heartbeat-Nachricht periodisch gesendet. Falls der Empfang einer Heart-beat-Nachricht nicht in der vorgese-henen Zeit erfolgt, wissen die interessierten Teilnehmer im Netzwerk, dass das zugehörige Gerät sich „verabschiedet“ hat.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Für Anwendungen bei extremen Umweltbedingungen sind CAN-Netzwerke eine preisgünstige Lösung, da die CAN-Hardware von Haus aus robust ist. Aber auch wer eine zuverlässige Übertragung von Daten beabsichtigt, trifft mit CAN eine gute Wahl, da die fehlererkennenden Mechanismen sowie die automatische Wiederholung im Fehlerfall mit nahezu an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit einen korrekten Empfang der Nachricht garantiert. Deshalb kommen CAN-Netzwerke bevorzugt in vielen Outdoor-Anwendungen (zum Beispiel Baumaschinen) sowie sicherheitskritischen Anwendungen (zum Beispiel in der Medizintechnik) zum Einsatz. Die weitere Integration von CAN-Komponenten (Transceiver, Protokoll-Controller usw.) führt zu noch höherer Zuverlässigkeit.

Autor: Holger Zeltwanger ist Geschäftsführer von CAN in Automation.