Konventionelles CAN-Netzwerk mit 12 Knoten beim Senden einer Nachricht: Auf dem Bus wird eine Botschaft gesendet, welche eine Funktion in Steuergerät 7 anfordert. Durch die laufende Buskommunikation sind alle am Bus liegenden Steuergeräte aktiv. Ein Abschalten einzelner Knoten ist in diesem Fall nicht möglich.

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Neben Faktoren wie die Effizienz des Antriebs-Aggregats, das Fahrzeuggewicht und der Luftwiderstand stellt die Energie-Effizienz der elektronischen Steuergeräte (ECUs – Electronic Control Units) ein breites Betätigungsfeld für energiesparwillige Entwickler dar. Bei einer Analyse der Elektroniklandschaft in modernen Fahrzeugen stellt sich schnell die Frage, ob die durch eine Vielzahl von Steuergeräten bereitgestellten Funktionen tatsächlich zu jedem Zeitpunkt beziehungsweise in jeder Fahrsi-tuation benötigt werden und ob der per-manente Stromverbrauch dieser Module gerechtfertigt ist?

Es ist leicht nachvollziehbar, dass dies bei Komfortfunktionen wie der Sitzelektronik, dem Anhänger-Steuergerät oder der Heckklappen-Ansteuerung nicht der Fall ist, weil eine Aktivierung durch die Insassen während der Fahrt nicht oder nur sporadisch erfolgt oder die Funktion nicht bei jeder Fahrsituation erforderlich ist. Weitere Beispiele sind die Türsteuergeräte sowie Standheizung, Schiebedach und Rückfahrkamera. Andererseits müssen die Steuergeräte natürlich jederzeit aktivierbar sein, um Funktions- und Komforteinbußen auszuschließen.

Das Potenzial möglicher Energie-Einsparungen bei den Steuergeräten lässt sich an einem Beispiel verdeutlichen: Bei einer mittleren Stromaufnahme von 100 bis 200 mA und einer Batteriespannung von 14 V ergibt sich ein Sparpotenzial im Bereich von 1,4 bis 2,8 W je „unterbeschäftigtem“ Steuergerät. Die resultierende Gesamtersparnis bei zehn teilnetzfähigen CAN-Knoten im Fahrzeug liegt damit im Mittel im Bereich von 15 W, ohne dass dadurch Funktions- oder Komforteinbußen entstehen.

Die Realisierung des Teilnetzbetriebes

CAN-Netzwerk mit teilnetzfähigen Steuergeräten beim Senden einer Nachricht an ECU5 (teilnetzfähig): Die übrigen teilnetzfähigen Knoten bleiben dabei im Sleep Mode während die konventionellen Steuergeräte durch die Buskommunikation aktiv bleiben.

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Heutige CAN-Knoten sind zwar auch mit stromsparenden Betriebsmodi wie „Standby“ oder „Sleep“ ausgestattet, jedoch wachen diese Knoten bei jeglicher Kommunikation auf dem Bus sofort wieder auf. Dies erlaubt die Nutzung der Stromsparmodi nur dann, wenn alle am Bus liegenden Knoten gleichzeitig deaktiviert werden – also während der so genannten Busruhe, sprich bei geparktem Fahrzeug. Sobald CAN-Botschaften auf dem Bus anliegen, werden alle am Bus liegenden Steuergeräte durch die jeweiligen Transceiver geweckt.

Ein Lösungsansatz ist sicherlich die Aufteilung der Netzwerke in Subnetze und die Trennung einzelner Steuergeräte von der Versorgung. Dies bedeutet jedoch sowohl Einschränkungen in der Netzwerk-Auslegung als auch zusätz-lichen Aufwand durch getrennte Ver-sorgungen. Trotzdem sind derartige Lösungen bereits heute im Einsatz.

Der flexibelste Lösungsansatz ist jedoch das Wecken einzelner Steuergeräte mittels dedizierter, vorab definierter Wecknachrichten. Dieses selektive Ansprechen einzelner CAN-Steuergeräte erfordert allerdings die Fähigkeit der Steuergeräte, einzelne CAN-Botschaften auch im Sleep- oder Standby-Modus auf vorher vereinbarte und konfigurierte Wecknachrichten hin zu überprüfen und gegebenenfalls darauf zu reagieren.

Idealerweise sollte diese Erkennung direkt im Transceiver erfolgen, da nur dann eine Aktivierung des Mikrocon-trollers und die daraus resultierende Erhöhung des Stromverbrauchs entfallen. Die Stärke konventioneller Transceiver liegt jedoch in der signalgetreuen Umsetzung der Buspegel und in der Robustheit gegenüber äußeren Störsignalen und -einflüssen auf dem Bus. Sie verfügen nur über sehr rudimentäre Logik, um einfache Busfehler zu erkennen, und werden bei jedem Flankenwechsel auf dem Bus aktiviert. Eine Abtastung und Auswertung der empfangenen Botschaften ist nicht möglich, weil dies Aufgabe des (im Mikrocontroller integrierten) CAN-Controllers ist. Dieser verfügt über die erforderliche genaue Taktreferenz (Quarzoszillator), um die Botschaft auszuwerten.

Prinzipieller Aufbau eines Steuergerätes mit teilnetz­fähigem Transceiver-Baustein sowie die erforderlichen Funktions­blöcke des Transceivers.

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Teilnetzfähige CAN-Transceiver benötigen deshalb zunächst eine sehr genaue interne Taktreferenz, um den ankommenden Bitstrom zuverlässig abtasten und decodieren zu können. Diese muss zudem über den relevanten Temperaturbereich stabil sein. Berücksichtigt man sowohl die maximale Toleranz des sendenden Knotens als auch in der Praxis auftretende Störungen auf dem Bus – wie zum Beispiel verschliffene Signalflanken, Reflexionen und EMV-Einflüsse –, so ergibt sich für den Oszillator eine erforderliche Genauigkeit von <1 %. Diese muss sowohl über den gesamten Temperaturbereich (–40 °C bis +150 °C) als auch über die Lebensdauer des Bauelementes gewährleistet sein. Das Oszillatorkonzept teilnetzfähiger Transceiver ist daher von zentraler Bedeutung und stellt für die Entwicklung dieser Bausteine die größte Herausforderung dar.

Aus dem abgetasteten Bitstrom ist dann die eigentliche Information gemäß dem CAN-Protokoll zu extrahieren. Die gewonnenen Daten werden mit vorab über SPI kon-figurierten Wecknachrichten verglichen. Hierzu muss der Transceiver über eine Schnittstelle zur Konfiguration des Teilnetzbetriebs, insbesondere der dedizierten Wecknachricht, verfügen.

Wie bereits erwähnt, unternehmen die Automobilhersteller große Anstrengungen, um den Teilnetzbetrieb sobald wie möglich in Serie einzusetzen. Dies gelingt jedoch nur, wenn die Eigenschaften der eingesetzten Transceiver standardisierbar sind. Zusammen mit den Halbleiterherstellern wurde zu diesem Zweck die Arbeitsgruppe SWITCH (Selective Wakeable Interoperable Transceiver CAN Highspeed) initiiert, welche auf Basis eines Lastenheftes einen Vorschlag zur Standardisierung erarbeitet hat. Dieser wird aktuell in der internationalen Organisation für Normung diskutiert. Ziel ist die Erstellung eines Ergänzungsteils zur ISO 11898 (Road Vehicles – Controller Area Network CAN).

STMicroelectronics beteiligt sich aktiv an der Definition dieser Funktionalität und arbeitet bereits in Abstimmung mit einem großen deutschen Automobilhersteller an der Realisierung eines System-ICs mit teilnetzfähigem Transceiver. Muster werden schon evaluiert, im vierten Quartal 2012 geht der Baustein in Serie.

Teilnetzbetrieb in industriellen Anwendungen

Der L99PM72PXP ist weltweit der erste Power-Management-System-IC mit High-Speed-CAN-Transceiver, der den Teilnetzbetrieb gemäß ISO 11898-6WD unterstützt. Er basiert auf dem bereits in Produktion befindlichen L99PM62GXP und ist zu diesem Hardware- und Software-kompatibel.

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Unter den vielfältigen Einsatzbereichen des CAN-Standards als Kommunikations- und Diagnosebus gibt es sicherlich noch eine Vielzahl sinnvoller Anwendungen des Teilnetzbetriebs außerhalb der Automobil-Elektronik. Von Interesse dürften hierbei die reduzierte Stromaufnahme und die damit verbundene längere Laufzeit akkubetriebener Anwendungen sein.

Mögliche Einsatzbereiche sind Anwendungen wie Reinigungs- und Logistikfahrzeuge oder mobile Service- und Montageroboter sowie weitere Handhabungseinrichtungen in der industriellen Fertigung. In der Standardisierung wird deshalb Wert auf die universelle Einsetzbarkeit gelegt. So wird beispielsweise die Nutzung des ‚extended Identifier‘ unterstützt und die Definition der Weckbotschaft weitgehend flexibel gehalten. Zudem ist das Prinzip des Teilnetzbetriebs auf andere Bussysteme übertragbar.

Autor: Fritz Burkhardt ist Senior Technical Marketing Engineer für Automotive Systems bei STMicroelectronics Application in München.