Leitfaden zur physikalischen CAN-Schicht und zum Busabschluss

Controller Area Networks werden in einer Vielzahl von Embedded-Anwendungen eingesetzt, von kleinen medizinischen Geräten bis hin zu großen Erdbewegungsgeräten. Um die Kosten und die Leistung von CAN in diesen verschiedenen Anwendungen optimal zu nutzen und gleichzeitig Software- und funktionale Kompatibilität für Tools beizubehalten, können Sie eine Vielzahl physikalischer Schichten verwenden, die für verschiedene Standards optimiert sind. Die physikalische Schicht einer CAN-Implementierung bestimmt die verwendeten Kabeltypen, elektrischen Signalpegel und das Abschlussschema. Der Teil einer CAN-Schnittstelle, der einen CAN-Controller mit dem Netzwerk verbindet, wird als Transceiver bezeichnet. 

Auf Softwareebene können Sie unabhängig von der physikalischen Schicht auf alle CAN-Netzwerke über dieselben Tools zugreifen. Der einzige Unterschied zwischen CAN-Netzwerken ist der verwendete Transceiver. PC-CAN-Schnittstellenanbieter implementieren diese verschiedenen Transceiver auf drei Arten: 

1. Benutzeraustauschbare Transceiver, die in einer generischen CAN-Schnittstelle installiert sind, wobei der Benutzer die Schnittstelle an ein bestimmtes Netzwerk anpasst
2. Integrierte Transceiver pro Schnittstelle mit einer dedizierten Hardwareschnittstelle pro physikalischer Schicht
3. Mehrere über ein Relais mit dem Netzwerk verbundene und von der Host-Anwendung geschaltete geräteeigene Transceiver

NI-CAN-Schnittstellen sind als zweite und dritte Art mit dedizierten Schnittstellen und per Software wählbaren Schnittstellen erhältlich. In der Regel werden per Software wählbare Schnittstellen für Anwendungen verwendet, bei denen das CAN-Endnetzwerk nicht bekannt ist und sich ändern kann, z. B. ein Labor oder eine automatisierte Testumgebung. In Embedded- und dedizierten Anwendungen, für die das CAN-Endnetzwerk bekannt ist, sparen integrierte geräteeigene Transceiver Kosten und reduzieren die Komplexität. Die drei NI-CAN-Plattformen sind in folgenden Ausführungen erhältlich:

1. NI-XNET PCI, PXI und CAN der C-Serie: Onboard, per Software auswählbar
2. NI USB CAN: Karteneigen
3. CompactRIO CAN: Karteneigen

Hochgeschwindigkeits-CAN ist der gängigste CAN-Transceiver. Er wird in fast allen Serienfahrzeugen eingesetzt und ist ab Modelljahr 2008 in den USA erhältlich.  

Die Hochgeschwindigkeits-CAN-Schicht leitet ihren Namen von der schnellsten CAN-Form ab, die die volle Standardgeschwindigkeit von bis zu 1 Mbit/s ermöglicht. Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerke unterstützen Baudraten von 40 kbit/s bis 1 Mbit/s. Die gebräuchlichste Rate, 500 kbit/s, wird in Automobilumgebungen verwendet.   

Die Baudraten beeinflussen die zulässige Gesamtlänge des Netzwerks, die von etwa 1 km bei 40 kbit/s bis 40 m bei 1 Mbit/s reicht. Beeinflusst wird auch die maximale Platzhalterlänge bzw. Länge vom zentralen CAN-Netzwerk, die Knoten einfügen können. CAN-Netzwerk-Stutzen sollten in der Regel kleiner als 1 m sein.  

Hochgeschwindigkeits-CAN ist in folgenden Normen festgelegt oder vorgeschrieben: 

• ISO-11898-1, -2, -5
• ISO-11783-2
• MilCAN
• CANopen
• DeviceNet
• SAE J1939
• SAE J2284-1, -2, -3,

CAN mit flexibler Datenrate (CAN FD) ist die nächste Generation der Hochgeschwindigkeits-CAN-Kommunikation mit neuen Standards für höhere Datenraten.  NI hat mit den Transceivern TJA1041 und TJA1043 über den NI-XNET Treiber Geschwindigkeiten von bis zu 8 Mbit/s aktiviert.  Die Gesamtbaudrate für FD-Netzwerke ist die gleiche wie bei Hochgeschwindigkeits-CAN, nur die Datenrate ist schneller.  Da Transceiver-Anbieter für CAN-FD-Geschwindigkeiten qualifiziert sind, aktualisiert NI bei Bedarf unsere Dokumentation.

High-Speed/FD-CAN-Anschluss

Bei Hochgeschwindigkeits-/FD-CAN müssen beide Enden des Signalleitungspaars (CAN_H und CAN_L) abgeschlossen sein. Dies liegt daran, dass die Kommunikation in beide Richtungen auf dem CAN-Bus abläuft. CAN_L ist Pin 2 und CAN_H ist Pin 7 am Standard-9-poligen D-SUB-Anschluss. Die Abschlusswiderstände eines Kabels sollten mit der Nennimpedanz des Kabels übereinstimmen. ISO 11898 erfordert ein Kabel mit einer Nennimpedanz von 120 Ω. Daher sollten Sie 120 Ω Widerstände als Abschluss verwenden. Wenn mehrere Geräte entlang des Kabels platziert werden, benötigen nur die Geräte an den Enden des Kabels Abschlusswiderstände. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für das Beenden eines Hochgeschwindigkeitsnetzwerks.

Abbildung 1: Abbruch eines Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerks

Hochgeschwindigkeits-/FD-CAN-Kabel und -Zubehör

NI-XNET Hochgeschwindigkeits-/FD- und softwarewählbare/FD-CAN-Schnittstellen verfügen über einen integrierten softwarewählbaren Abschluss. Dadurch haben Sie die Flexibilität, bei Bedarf programmatisch einen Anschluss an das Netzwerk anzuschließen, ohne die Kabel zu wechseln.

Abbildung 2: NI-XNET Software-wählbarer Abschluss

NI bietet auch terminierte und nicht terminierte CAN-Kabel zum Anschließen von Hochgeschwindigkeits-/FD-CAN-Schnittstellen an CAN-Geräte und -Netzwerke an. Veraltete NI-CAN-Geräte verfügen nicht über einen per Software wählbaren Abschluss, so dass Sie möglicherweise terminierte Kabel für die Verwendung mit diesen Schnittstellen erwerben müssen. 

In der Regel können Sie beim Anschließen eines einzelnen CAN-Geräts an eine NI-CAN-Schnittstelle programmatisch die Terminierung aktivieren oder ein terminiertes Kabel verwenden. Bei der ersten Option schaltet das NI-XNET über Relais einen 120-Ω-Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L. Im Falle eines terminierten Kabels enthält es einen 120-Ω-Widerstand, der an den CAN_H- und CAN_L-Leitungen im Anschluss angebracht ist, der der Artikelnummer am nächsten liegt. 

Beim Anschließen mehrerer CAN-Geräte, die bereits einen Abschluss haben, werden unterminierte Kabel von NI empfohlen.  

Die CAN-Breakout-Box von NI bietet einen Switch zum Aktivieren und Deaktivieren des 120-Ω- und 60-Ω-Anschlusses in einem CAN-Netzwerk für maximale Flexibilität. 

Weitere Informationen finden Sie im NI-XNET Manual oder im NI-CAN Hardware and Software Manual.

Low-Speed/fehlertolerant CAN ist so konzipiert, dass es Öffnungen, Kurzschlüssen und falschen Belastungen einer der CAN-Datenleitungen standhält und bei einem Fehler auf eine einzelne Datenleitung zurückgreift. Damit eine Datenleitung nicht geöffnet werden kann, sind Abschlusswiderstände an jedem Knoten erforderlich. Diese zusätzlichen Fehlertoleranzfunktionen begrenzen die maximale Geschwindigkeit eines langsamen/fehlertoleranten CAN-Netzwerks auf 125 kbit/s.  

Low-Speed/fehlertolerant CAN ist in folgenden Spezifikationen enthalten: 

• ISO-11898-3
• ISO-11992-1

Low-Speed/fehlertoleranter CAN-Anschluss

Bei langsamen/fehlertoleranten CANs benötigt jedes Gerät im Netzwerk einen Abschlusswiderstand für jede Datenleitung: R(RTH) für CAN_H und R(RTL) für CAN_L. Im Gegensatz zum High-Speed-CAN-Anschluss muss sich der Anschluss bei Low-Speed-CAN am Transceiver und nicht am Kabel befinden. Die Ermittlung des erforderlichen Abschlusswiderstands finden Sie im Handbuch. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm der Abschlusswiderstände in einem langsamen Netzwerk.

Abbildung 3: Low-Speed/fehlertoleranter CAN-Anschluss

Low-Speed-CAN-Kabel und -Zubehör

Da jeder Knoten in einem langsamen/fehlertoleranten CAN-Netzwerk terminiert ist, werden fehlertolerante CAN-Schnittstellen von NI mit geräteeigenen Abschlusswiderständen geliefert. Das NI-XNET Manual und das NI-CAN Hardware and Software Manual enthalten Anweisungen zur Justierung dieser Widerstände, wenn Ihre Anwendung unterschiedliche Werte erfordert. Für das Anschließen von fehlertoleranten CAN-Schnittstellen von NI an fehlertolerante CAN-Geräte und -Netzwerke sollten nur unterminierte CAN-Kabel verwendet werden. 

Eindraht-CAN ist vor allem in Automotive-Spezialanwendungen zu finden und betont niedrige Kosten. In der SAE-2411-Spezifikation definiert, verwendet Single-Wire CAN nur eine einseitig geerdete CAN-Datenverbindung im Gegensatz zu den differentiellen CAN-Verbindungen in den meisten Anwendungen. Die reduzierte Störfestigkeit von Single-Wire CAN begrenzt die Geschwindigkeit auf 33,3 kbit/s oder 83,3 kbit/s. 

Einzeldraht-CAN-Anschluss

Einzeldraht-CAN gibt einen Widerstand von 9,09 kΩ für das gesamte Netzwerk an. NI-Schnittstellen mit Single-Wire-CAN-Transceivern verfügen über einen integrierten 9,09-kΩ-Widerstand, so dass keine zusätzlichen Widerstände benötigt werden.

Abbildung 4: Verbindung zwischen zwei Einzeldraht-CAN-Geräten

Einzeldraht-CAN-Transceiver sind nur an PCI- und PXI-Schnittstellen von NI-XNET verfügbar. 

Einzeldraht-CAN-Kabel 

Da Single-Wire-CAN-Netzwerke bereits terminiert sind, sollten Sie nur nicht terminierte CAN-Kabel zum Verbinden von Single-Wire-CAN-Schnittstellen mit Single-Wire-CAN-Geräten und -Netzwerken verwenden. Fehlertolerante CAN-Schnittstellen von NI werden mit integrierten Abschlusswiderständen geliefert. Das NI-CAN Hardware and Software Manual enthält auf den Seiten 3-16 und 4-20 weitere Informationen zum Eindraht-CAN.

CAN-Anwendungen verwenden gelegentlich einen nicht standardmäßigen oder speziellen Transceiver für eine bestimmte Anwendung. Mit NI-CAN per Software wählbaren Schnittstellen ist es möglich, die karteneigenen Transceiver zu umgehen und einen benutzerdefinierten Transceiver ohne Änderungen an der Schnittstelle mit dem externen Steckverbinder der Karte zu verbinden.

• Alle NI CAN Produkte ansehen
• Überblick über die NI-XNET-CAN-, LIN- und FlexRay-Plattform