CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein äußerst zuverlässiges serielles Echtzeit-Kommunikationsprotokoll, das in Fahrzeugen, in der industriellen Automatisierung und anderen Bereichen verwendet wird. Es ermöglicht mehreren Mikrocontrollern und Geräten, ohne einen Host-Computer miteinander zu kommunizieren.
Der CAN-Bus wurde ursprünglich in den frühen 1980er Jahren von Bosch in Deutschland für die Fahrzeugkommunikation entwickelt. Im Jahr 1993 veröffentlichte ISO den CAN-Bus-Standard (ISO 11898), der sowohl das Data Link Layer-Protokoll als auch das Physical Layer-Protokoll umfasst.
ISO 11898-1: Definiert das Protokoll der Datenverbindungsschicht.
ISO 11898-2: Definiert das Protokoll der physikalischen Schicht für den Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus und unterstützt eine maximale Datenübertragungsrate von 1 Mbit/s. Es empfiehlt eine lineare Topologie und eignet sich für Anwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen.
ISO 11898-3: Definiert das Protokoll der physikalischen Schicht für einen CAN-Bus mit niedriger Geschwindigkeit und Datenübertragungsraten von 40 Kbit/s bis 125 Kbit/s. Es wird auch als fehlertolerantes CAN bezeichnet und ermöglicht eine kontinuierliche Kommunikation auch bei Ausfall einer Signalleitung, wodurch es sich für Anwendungen mit geringeren Echtzeitanforderungen eignet.
CAN-Bus-Funktionen:
Multi-Master-Steuerung:Der CAN-Bus unterstützt die Koexistenz mehrerer Master-Geräte im Netzwerk ohne Master-{0}}Slave-Hierarchie. Geräte kommunizieren basierend auf Nachrichtenpriorität.
Differenzielle Signalisierung:Verwendet zwei Drähte (CAN_H und CAN_L) zur Übertragung von Differenzsignalen und erhöht so die Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen.
Nicht-zerstörerische Schiedsgerichtsbarkeit:Wenn während der Nachrichtenübertragung eine Kollision auftritt, wird die Nachricht mit der höheren -Priorität übertragen, während die Nachricht mit der niedrigeren -Priorität auf eine erneute Übertragung wartet.
Fehlererkennung und -behandlung:Verfügt über robuste Fehlererkennungs- und -behandlungsfunktionen, einschließlich CRC-Prüfsummenüberprüfung und Bitfehlerprüfung.
Flexible Topologie:Unterstützt mehrere Netzwerktopologien wie lineare, Stern-, Baum- und Ringkonfigurationen.
Auf dem CAN-Bus sorgt der erhebliche Spannungsunterschied zwischen logisch „0“ und „1“ für eine zuverlässige Kommunikation. Gemäß der obigen Beschreibung sind die beiden Logikpegel auf dem CAN-Bus:
Dominant: 0
Rezessiv: 1
Die Signalpegel auf dem CAN-Bus weisen Linien-und Charakteristika auf. Diese Leitung-und dieses Verhalten bilden die Schaltungsbasis für die CAN-Bus-Arbitrierung: Der dominante Pegel (0) maskiert immer den rezessiven Pegel (1). Wenn verschiedene Knoten gleichzeitig dominante und rezessive Pegel übertragen, weist der Bus den dominanten Pegel (0) auf. Erst wenn alle Knoten den rezessiven Pegel (1) senden, weist der Bus den rezessiven Zustand auf.
Dominantes Niveau:Logisch 0. Bei High-Speed-CAN liegt der CAN_H-Pin auf 5 V, während der CAN_L-Pin auf 0 V geht.
Unterwürfiges Niveau:Logik 1. Keiner der Pins wird angesteuert.
Hochgeschwindigkeits-CAN- und Niedriggeschwindigkeits-CAN-Busse unterscheiden sich in ihren Signalpegeldefinitionen auf der physikalischen Ebene:
Hochgeschwindigkeits-CAN definiert eine logische „1“, wenn die CANH- und CANL-Spannungen gleich sind (CANH=CANL=2.5V), und eine logische „0“, wenn die Spannungsdifferenz zwischen CANH und CANL 2 V beträgt (CANH=3.5V, CANL=1.5V).
Innerhalb des Gleichtaktspannungsbereichs (-12 V bis 12 V) interpretiert der Hochgeschwindigkeits-CAN-Transceiver eine Spannungsdifferenz von mehr als 0,9 V zwischen CANH und CANL als dominanten Zustand und eine Differenz von weniger als 0,5 V als rezessiven Zustand. Eine interne Hystereseschaltung reduziert Störungen.
Niedriggeschwindigkeits-CAN definiert eine logische „1“, wenn die Spannungsdifferenz zwischen CANH und CANL 5 V beträgt (CANH=0V, CANL=5V), und eine logische „0“, wenn die Spannungsdifferenz 2,2 V beträgt (CANH=3.6V, CANL=1.4V).
Hochgeschwindigkeits-CAN-Signalpegel (ISO 11898-2)
Niedriggeschwindigkeits-CAN-Signalpegel (ISO 11898-3)
CAN-Fehlerbehandlungsmechanismen:
CRC-Fehler:Erkennt Fehler durch Berechnung und Überprüfung des CRC-Werts der Daten.
Bitfehler:Erkennt Bitfehler in Echtzeit während der Übertragung.
Fehlerrahmen:Sendet Fehlerrahmen, um eine erneute Übertragung anzufordern, wenn Fehler erkannt werden.
Zusammenfassung
Der CAN-Bus hat aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit, Echtzeitleistung und Flexibilität in vielen Bereichen breite Akzeptanz gefunden. Mit fortschreitender Technologie entwickelt sich der CAN-Bus weiter. - Beispielsweise verbessert der von BOSCH veröffentlichte Standard CAN FD (Flexible Data-Rate) die Datenübertragungsraten weiter, um den Anforderungen von Anwendungen gerecht zu werden, die eine höhere Bandbreite erfordern.