CAN bietet heute eine Übertragungsrate von 1 Mbit/s, solange eine Gesamtleitungslänge im Netzwerk von 25 m nicht überschritten wird. Sind längere Verbindungsstrecken erforderlich, ist die Übertragungsrate entsprechend zu senken. Mit anderen Worten: Je weiter die zu überbrückenden Distanzen sind, desto ausgeprägter ist der eintretende Geschwindigkeitsverlust.

Die Erweiterung und Flexibilisierung eines CAN-Netzwerkes ist mittels unterschiedlicher Komponenten zu bewerkstelligen. Dazu zählen zunächst Repeater, mit denen beispielsweise statt einer einfachen Anreihung von Busknoten auch Stern- oder Baumstrukturen implementierbar sind. Bridges und Gateways wiederum ermöglichen vor allem eine Erweiterung der physikalischen Ausdehnung bestehender Linienverbindungen. Und selbst für die drahtlose Kommunikation lässt sich ein CAN-Netzwerk mit geeigneten Komponenten ertüchtigen.

Sterne einrichten, Segmente entkoppeln

CAN-Repeater machen eine Sterntopologie möglich – eine Struktur, die häufig in Windkraftanlagen gefordert ist.

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Prinzipiell dienen CAN-Repeater zur physikalischen Kopplung zweier oder mehrerer Segmente eines CAN-Bussystems. Zudem sind mit ihnen Baum- oder Sterntopologien sowie lange Stichleitungen realisierbar. Ein Anwendungs-Szenario, in dem die Standard-Linien­topologie von CAN an ihre Grenzen stößt, findet sich etwa bei Windkraft­anlagen, in denen die drei Flügelverstel­lungen (Pitch-Controller) über CAN mit dem Master-Controller kommunizieren sollen. Hier macht es ein CAN-Repeater möglich, eine Sternverzweigung zu den einzelnen Flügeln des Windrades aufzubauen. Damit wird außerdem deren galvanische Entkopplung und somit ein erweiterter Blitzschutz erreicht.

Bei unerwarteten Störungen im Netzwerk lassen sich bestimmte fehlerhafte Netzwerksegmente mittels einer integrierten Überwachungsfunktion aus dem Netzwerk nehmen, um eine stabile Kommunika­tion der übrigen Netzwerk-Teilnehmer weiterhin zu gewährleisten. Sobald die Störung beseitigt ist, wird das gestörte Netzwerk-Segment unterbrechungsfrei wieder mit dem restlichen Netzwerk verbunden. Die durch den Repeater verbundenen CAN-Systeme stellen eigenständige elektrische Segmente dar, die signaltechnisch optimal abschließbar sind. Auf diese Weise sind Topologien realisierbar, die mit einer einfachen Leitungsführung des Busses in einer Linie wegen elektrischer Reflexionen nicht möglich wären.

Zum Funktionsspektrum von Repeatern zählt auch die Kopplung unterschiedlicher physikalischer CAN-Schichten, zum Beispiel in Form der Umsetzung von High- auf Low-Speed-CAN oder von Kupfer- auf Glasfaser-leitungen. CAN-Repeater verbessern zu-dem allgemein die EM-Verträglichkeit und das Abstrahlverhalten von CAN-Systemen. Die beispielsweise bei CAN-Repeatern von Ixxat integrierte galvanische Trennung verhindert bis 4 kV die Ausbreitung von Störungen über das Netzwerk. Außerdem werden Störungen, die durch elektromagnetische Einflüsse oder die Kabelqualität verursacht werden, durch die Signalwiederholung des CAN-Repeaters herausgefiltert.

Leitungen verlängern, Funkstrecken etablieren

Mit Bridges lassen sich die Leitungslängen in CAN-Netzwerken theoretisch beliebig ausdehnen.

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Im Gegensatz zu CAN-Repeatern, die sich zur Verlängerung der Linienlei­tungen an sich nicht eignen, dienen CAN-Bridges und -Gateways direkt der Erweiterung der maximalen Netzwerk-Ausdehnung. Da-rüber hinaus können mit CAN-Bridges Netzwerke unterschiedlicher Bit-Rate oder Protokolle miteinander verbunden werden. Diese Geräte basieren auf dem Store(-Modify)-Forward-Prinzip, bei dem CAN-Nachrichten von einem Teilnetzwerk empfangen und dann im anderen Teilnetzwerk gesendet werden. Hierbei können auch Umsetz- und Filterregeln zum Einsatz kommen, wodurch beispielsweise eine Protokoll-Anpassung zwischen den Teilnetzwerken durchführbar ist.

Durch die integrierte Filterfunktion können Nachrichten beispielsweise vor dem Umsetzen von einem auf das andere Netzwerk herausgefiltert werden, um die Buslast auf den jeweiligen Netzwerken möglichst gering zu halten. Die Teilsysteme arbeiten in Bezug auf die Bus-Arbitrierung vollkommen autark, was die eingangs erwähnte größere maximale Netzwerk-Ausdehnung gestattet. CAN-Bridges kommen besonders in der Gebäudeautomation sehr häufig zum Einsatz. Hier werden mit Hilfe dieser Geräte verteilte Subnetze miteinander verbunden. Gerade in Gebäuden ist es wichtig, die Leitungsverlegung flexibel anpassen zu können, sodass die CAN-Kommu­nikation bei typischer Linientopologie mit begrenzten Stichleitungslängen reibungslos funktioniert.

In Fällen, in denen die Datenübertragung über eine feste Leitung schwierig ist (beispielsweise bei einem Drehtisch), lässt sich auch eine Funkübertragung implementieren. Die Kopplung kann in diesem Fall über eine Komponente wie den CANblue/Generic erfolgen, welche die CAN-Datenkommunikation via Bluetooth ermöglicht. Der Nachrichtenaustausch geschieht dabei auf Schicht 2 und ist transparent. Daher eignet sich diese Lösung für den Einsatz mit unterschiedlichen CAN-basierten Protokollen – von CANopen oder Devicenet bis hin zu anwenderspezifischen Varianten. Bei Verwendung mehrerer CANblue/Generic-Einheiten kann die Kopplung der Geräte dynamisch erfolgen.

Brücken bauen

Die Schiffsautomatisierung ist typisch für Anwendungen, bei denen CAN-Systeme über Ethernet gekoppelt werden.

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Mit speziellen Gateways, wie etwa dem CAN@net II/Generic, lassen sich schließlich CAN-Netzwerke auch mit anderen Netzwerk-Typen – insbesondere Indus­t­rial Ethernet – einfach verbinden. Diese Netzkopplung im Bridge-Mode kommt häufig zum Einsatz, wenn sich die beiden zu verbindenden Netzwerke nicht in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Mit CAN-Bridges dieser Art werden etwa auf Schiffen übergeordnete Controller und ein CAN-Netzwerk verbunden, um eine effiziente Kommunikation zwischen Motorsteuerung und Brückensteuerung zu ermöglichen. Für diesen Bridge-Betriebsmodus sind zwei entsprechende Gateways erforderlich. Der Austausch der CAN-Nachrichten erfolgt über TCP/IP, wobei Filtertabellen hinterlegbar sind. Zur Konfiguration der TCP/IP-Kommunikationsparameter dient ein PC-Tool mit automatischer Geräte-Erkennung. Über den auf dem Gateway implementierten Webserver erfolgen die Einrichtung der Bridge-Funktion sowie die Einstellung der CAN-Konfigurationsparameter.

Bridge-Lösungen existieren aber nicht nur zur Verknüpfung von CAN und Ethernet. In vielen Anwendungen ist es nötig, Geräte mit einer einfachen RS-232-Schnittstelle in ein CAN-Netzwerk ein­zubinden. Auch hierfür gibt es entsprechende Gateways wie zum Beispiel das CAN-GW100/RS 232. Die technische Umsetzung erfolgt in der CAN-Betriebsart (Schicht 2), wobei die empfangenen CAN-Daten transparent auf RS 232 übertragen werden. Die mittels RS 232 gesendeten Daten werden dann in Telegramme gepackt. Für das Senden und den Empfang der CAN-Daten steht jeweils ein konfigurierbarer Identifier zur Verfügung. In der CANopen-Betriebsart arbeitet das Gateway als CANopen-Teilnehmer. Die Ablage der seriellen Daten erfolgt als Bytestream-Objekt im herstellerspezi­fischen Objektverzeichnisbereich, die Übertragung geschieht per PDO.

Autor: Carsten Münch ist Vertriebsingenieur bei Ixxat.