Physikalische Schicht von CAN: Spannungen, Verkabelung und Busabschluss

01Warum CAN differenzielle Übertragung nutzt

Ein Fahrzeug ist eine feindliche Umgebung für Daten. Zündspulen, Einspritzventil-Endstufen, die Schaltflanken von Wechselrichtern und die Ströme des Anlassers koppeln Störungen in den Kabelbaum ein, und beim Anlassen des Motors kann die Masse vorn in einem Lkw um mehrere Volt von der Masse im Heck abweichen. Eine unsymmetrische Übertragung (Single-Ended), die eine Ader gegen die lokale Masse vergleicht, würde jede dieser Störungen als Daten lesen.

High-Speed-CAN nach ISO 11898-2 umgeht das Problem, indem es jedes Bit als Differenz zwischen zwei Adern überträgt, CAN-H und CAN-L, die gemeinsam als verdrillte Zweidrahtleitung geführt werden. Störungen koppeln nahezu gleich stark in beide Leiter ein und verschieben deshalb beide Spannungen gemeinsam nach oben oder unten. Der Empfänger ignoriert diese gemeinsame Verschiebung und wertet ausschließlich die Differenz aus.

Die Verdrillung ist ebenso wichtig wie das Leitungspaar selbst. Jede halbe Windung kehrt die Orientierung der Schleife um, die die beiden Adern bilden, sodass ein Magnetfeld in aufeinanderfolgenden Halbwindungen entgegengesetzte Spannungen induziert, die sich weitgehend aufheben. Das wirkt auch in umgekehrter Richtung: Gleich große, entgegengesetzte Ströme bedeuten, dass sich die eigenen Felder des Paares aufheben. So bleibt der Bus gegenüber dem Radio und jeder daneben verlegten Sensorleitung ruhig.

02Rezessiv und dominant: die beiden Buszustände

CAN treibt Einsen und Nullen nicht symmetrisch. Eine logische 1 ist der rezessive Zustand: Alle Transceiver geben den Bus frei, und der Busabschluss zieht beide Leitungen auf dieselbe Spannung, nominal 2,5 V. Eine logische 0 ist der dominante Zustand: Mindestens ein Sender zieht CAN-H aktiv in Richtung 3,5 V und CAN-L in Richtung 1,5 V, woraus eine Differenz von etwa 2 V entsteht.

Da ein freigegebener Bus keinen dominanten Pegel halten kann, setzt sich ein einzelner dominant sendender Knoten stets gegen beliebig viele rezessiv sendende durch. Dieses Wired-AND-Verhalten ist kein Nebeneffekt. Es ist die Grundlage der zerstörungsfreien Arbitrierung, der Bestätigung (Acknowledgement) und der Fehlersignalisierung, die alle in CAN-Frames und Arbitrierung beschrieben sind.

Empfängerschwellen und Störabstand

Empfänger brauchen nicht die vollen 2 V. ISO 11898-2 verlangt, dass eine Differenzspannung unter 0,5 V als rezessiv und über 0,9 V als dominant gelesen wird; der Bereich dazwischen ist undefiniert. Selbst am unteren Ende seiner Toleranz liefert ein intakter Sender 0,6 V Reserve oberhalb der Dominanzschwelle, und genau diese Reserve fängt Leitungswiderstand, Steckverbinderverluste und Reflexionen in einem langen Kabelbaum auf.

Deshalb legt ein zusätzlicher Abschlusswiderstand einen Bus auch selten vollständig lahm: Die geringere Last lässt den dominanten Pegel in Richtung der 0,9-V-Grenze absinken, und das Netzwerk funktioniert auf dem Labortisch, fällt im Fahrzeug aber sporadisch aus. Gemessene Reserven sagen weit mehr über den Zustand eines Busses aus als eine einfache Prüfung nach dem Motto „es kommuniziert“.

Gleichtaktbereich und Masseversatz

Jedes Steuergerät bezieht seinen Transceiver auf seine eigene lokale Masse, und im Fahrzeug sind diese Massen nie identisch. Hohe Ströme in den Masserückleitungen erzeugen zwischen weit auseinanderliegenden Modulen Versätze von einem Volt oder mehr, besonders beim Anlassen. Der Differenzempfänger toleriert das, solange beide Busleitungen innerhalb seines Gleichtaktbereichs bleiben. Die frühen Ausgaben der ISO 11898-2 forderten einen korrekten Empfang von −2 V bis +7 V; die Ausgabe von 2016 erweiterte die Anforderung an den Empfänger auf −12 V bis +12 V und verlangt, dass die Bus-Pins −27 V bis +40 V überstehen. Viele Automotive-Transceiver gehen noch darüber hinaus.

Dieser Bereich ist großzügig, aber nicht unbegrenzt. Masseversatz, Generatorwelligkeit und Masseschleifen durch unsorgfältigen Einbau zehren alle davon. Ein Großteil der Hinweise in Best Practices für den Einbau dient dazu, dieses Budget intakt zu halten.

03Busabschluss: warum 120 Ω an beiden Enden

Ein CAN-Bus ist eine Leitung im Sinne der Leitungstheorie. Die Flanke eines Transceivers steigt innerhalb einiger zehn Nanosekunden an, sodass sich schon wenige Meter Kabel wie eine Leitung mit einem Wellenwiderstand verhalten und nicht wie ein einfacher Draht. Erreicht eine Flanke ein nicht abgeschlossenes Ende, wird sie reflektiert und kollidiert mit den nachfolgenden Bits. Abhilfe schafft ein Abschlusswiderstand an jedem physischen Ende der Hauptleitung, angepasst an den nominalen Wellenwiderstand des Kabels von 120 Ω; er absorbiert die laufende Welle, statt sie zu reflektieren.

Vom Bus aus gesehen liegen die beiden Abschlusswiderstände parallel:

Die Abschlusswiderstände erfüllen eine zweite Aufgabe, die leicht übersehen wird. Sie sind die Last, an der der Treiberstrom des Senders die dominante Differenzspannung erzeugt, und sie entladen am Ende jedes dominanten Bits die Buskapazität, damit der rezessive Zustand schnell zurückkehrt. Deshalb verursachen sowohl fehlende als auch überzählige Abschlusswiderstände Probleme, nur eben unterschiedliche.

Geteilter Busabschluss (Split-Termination)

Viele Steuergeräte am Busende nutzen einen geteilten Busabschluss (Split-Termination): zwei 60-Ω-Widerstände in Reihe zwischen CAN-H und CAN-L, deren Mittelpunkt über einen kleinen Kondensator, üblicherweise 4,7 nF, mit Masse verbunden ist. Bei Gleichstrom misst das Paar weiterhin 120 Ω, die oben genannten Ohmmeter-Regeln gelten also unverändert. Bei hohen Frequenzen bietet der Kondensator Gleichtaktstörungen einen niederohmigen Pfad nach Masse, was die Störaussendung spürbar verringert. Manche Transceiver besitzen zusätzlich einen eigenen Split-Pin, der den Mittelpunkt auf 2,5 V hält und den rezessiven Pegel weiter stabilisiert.

Im Fahrzeug sitzen die Abschlusswiderstände meist in zwei Steuergeräten an den gegenüberliegenden Enden eines Segments. Wer bei einer Reparatur eines dieser Steuergeräte absteckt, entfernt damit auch einen Abschlusswiderstand.

04Kabel, Verdrillung und Stichleitungen

ISO 11898-2 beschreibt das Medium über elektrische Kenngrößen, statt einen bestimmten Kabeltyp vorzuschreiben. Netzwerkentwickler arbeiten mit folgenden Referenzwerten:

Eine Schirmung ist optional. Pkw verwenden ganz überwiegend ungeschirmte verdrillte Leitungen, während es bei schweren Nutzfahrzeugen beides gibt: SAE J1939-11 spezifiziert eine geschirmte verdrillte Zweidrahtleitung, SAE J1939-15 eine reduzierte, ungeschirmte physikalische Schicht. In der Praxis zählt die Qualität der Verdrillung. Eine enge, gleichmäßige Verdrillung setzt beide Leiter denselben Störeinflüssen aus; wird das Paar an einem Steckverbinder oder einer Spleißstelle über eine längere Strecke aufgedrillt, geht der Schutz genau dort verloren, wo die Störungen oft am stärksten sind.

Länge der Stichleitungen

Eine Stichleitung ist der Abzweig zwischen der Hauptleitung und dem Transceiver eines Knotens. Da eine Stichleitung nicht abgeschlossen ist, reflektiert sie Energie zurück auf die Hauptleitung, und diese Reflexionen bleiben nur harmlos, solange die Stichleitung im Vergleich zur Anstiegszeit der Flanken kurz ist. Schnellere Bits bedeuten engere Grenzen:

Daraus folgen zwei praktische Konsequenzen. Erstens kann ein Kabelbaum, der bei 250 kbit/s funktioniert, versagen, wenn dieselbe Topologie bei 500 kbit/s oder mit einer CAN-FD-Datenphase genutzt wird, weil die zulässige Stichleitungslänge mit schnelleren Flanken schrumpft. Zweitens erzeugt jedes Gerät, das mit einer langen fliegenden Leitung an einen bestehenden Bus angeschlossen wird, eine neue Stichleitung. Halten Sie zusätzliche Stichleitungen so kurz, wie es der Einbau zulässt, und verlängern Sie eine Hauptleitung nie, indem Sie ein langes Kabel zu einem entfernten Knoten und wieder zurück führen.

Passive Sterne können bei den Bitraten des klassischen CAN mit sorgfältiger Auslegung funktionieren, arbeiten aber bei jeder Flanke gegen das Leitungsmodell. Architekturen, die bei CAN-FD-Datenraten Sterne oder lange Abzweige benötigen, setzen auf Transceiver mit Signalverbesserung (Signal Improvement), die in Klassisches CAN vs. CAN FD behandelt werden.

05Transceiver: das analoge Frontend

Der CAN-Controller eines Steuergeräts arbeitet mit Logikpegeln an zwei Pins, TXD und RXD. Der Transceiver übersetzt zwischen diesen Pins und dem Bus: Er treibt den dominanten Zustand, gibt den Bus für den rezessiven Zustand frei und vergleicht die Differenzspannung mit den Empfangsschwellen. Da der Empfänger ständig aktiv ist, liest ein Sender jedes gesendete Bit zurück. So weiß er, dass er die Arbitrierung verloren hat oder dass ein Bit unterwegs verfälscht wurde.

Die Transceiver-Generationen folgen den Ausgaben der ISO 11898-2:

Automotive-Transceiver bieten zusätzliche Funktionen, die in der Praxis zählen: einen TXD-Dominant-Timeout, der den Bus freigibt, wenn ein abgestürzter Mikrocontroller TXD dauerhaft auf Low hält, sodass ein einzelner defekter Knoten das Netzwerk nicht blockieren kann; eine Steuerung von Flankensteilheit und Symmetrie zur Begrenzung der Störaussendung; und einen Unterspannungsschutz, der den Ausgang rezessiv hält, solange die Versorgung außerhalb des zulässigen Bereichs liegt.

Stromsparmodi und Wecken

Ein abgestelltes Fahrzeug muss seinen Ruhestrom auf ein Minimum begrenzen. Die meisten Steuergeräte schalten deshalb vollständig ab und lassen nur den Transceiver mithören. Im Low-Power-Modus kann ein Transceiver nach ISO 11898-2:2016 seine 2,5-V-Vorspannung abschalten und die Leitungen auf etwa 0 V absinken lassen, während er auf ein Weckmuster (Wake-up Pattern) wartet, eine definierte Folge dominanter und rezessiver Phasen. Transceiver mit selektivem Wecken (Selective Wake-up) gehen weiter: Sie dekodieren Frames und wecken ihr Steuergerät nur bei einem bestimmten Weck-Frame. Dieser Teilnetzbetrieb (Partial Networking) lässt einen Teil des Fahrzeugs schlafen, während ein anderer arbeitet. Das zählt für das Budget des Ruhestroms und für Elektrofahrzeuge, die stundenlang Ladefunktionen ausführen.

Für den Monteur ist die Konsequenz einfach: Alles, was dauerhaft am Bus angeschlossen ist, muss ihn unberührt lassen, wenn das Fahrzeug schläft. Ein Gerät, das sendet oder die Leitungen von ihren Ruhepegeln wegzieht, kann das gesamte Netzwerk wach halten und über ein Wochenende eine Batterie entleeren. Netzwerkmanagement und die Energiezustände in CAN in Elektro- und Hybridfahrzeugen behandeln diese Seite ausführlich.

06EMV: den Bus leise und störfest halten

Elektromagnetische Verträglichkeit wirkt in beide Richtungen. Die Störaussendung entsteht vor allem durch Asymmetrie: Schalten CAN-H und CAN-L nicht exakt im selben Moment mit gespiegelten Flanken, springt die Gleichtaktspannung bei jeder Flanke, und der Kabelbaum strahlt ab. Die Störfestigkeit hängt von derselben Symmetrie ab, damit eingekoppelte Störungen im Gleichtakt bleiben und der Empfänger sie unterdrückt. Die üblichen Maßnahmen sind:

• Gleichtaktdrosseln in den Busleitungen, die Gleichtaktströme unterdrücken und das Differenzsignal passieren lassen. Sie müssen zur Bitrate passen; eine schlecht abgestimmte Drossel kann bei CAN-FD-Flanken nachschwingen.
• Geteilter Busabschluss mit Mittelpunktkondensator, der Gleichtaktstörungen an den Busenden nach Masse ableitet.
• ESD-Schutz mit niedriger und gut angeglichener Kapazität auf beiden Leitungen, besonders bei CAN-FD-Bussen, auf denen jedes Pikofarad die Flanken verlangsamt.
• Symmetrische Leitungsführung: Gleiche Längen, enge Kopplung und keine langen unverdrillten Abschnitte an Steckverbindern halten das Paar symmetrisch.

Nachgewiesen werden diese Maßnahmen anhand einer etablierten Normenfamilie: CISPR 25 für die Störaussendung, ISO 11452 für die Störfestigkeit gegen gestrahlte Felder und Stromeinspeisung (BCI), ISO 7637-2 und ISO 7637-3 für Transienten auf Versorgungs- und Signalleitungen sowie IEC 62228-3 für die CAN-Transceiver selbst. Auf Fahrzeugebene ist die elektromagnetische Verträglichkeit in Europa und vielen anderen Märkten über die UN-Regelung Nr. 10 geregelt.

07Fehlerbilder und ihre elektrischen Fingerabdrücke

High-Speed-CAN ist nicht in dem Sinne fehlertolerant wie der Low-Speed-Bus, der in Bitraten und Bustypen beschrieben wird. Ein einziger Leitungsfehler kann ein ganzes Netzwerk verstummen lassen, und manche Fehler lassen es so weiterhumpeln, dass das Problem verdeckt bleibt. Wer von den Buszuständen ausgeht, kann das Verhalten vorhersagen: Jeder Fehler, der verhindert, dass CAN-H um 0,9 V über CAN-L steigt, macht ein dominantes Bit unmöglich, und der Bus verstummt.

1. 01
   Erst hinsehen, dann messen

   Prüfen Sie die Steckverbinder an beiden Enden des Segments und jedes kürzlich hinzugefügte Gerät. Die meisten Fehler der physikalischen Schicht sind mechanisch: zurückgeschobene Pins, Korrosion, durchgescheuerte Isolierung.

2. 02
   Widerstand, spannungslos

   Messen Sie bei schlafendem Netzwerk oder abgeklemmter Batterie zwischen CAN-H und CAN-L (Erwartung ≈ 60 Ω), dann jede Leitung gegen Masse und gegen Batterieplus (Erwartung: hochohmig, im Kiloohm-Bereich oder darüber).

3. 03
   Spannungen, Bus wach

   Ohne Busverkehr sollte jede Leitung nahe 2,5 V gegen Masse liegen. Bei Busverkehr mittelt ein Multimeter über die Bits: CAN-H zeigt etwas über 2,5 V, CAN-L etwas darunter, und beide zusammen ergeben etwa 5 V.

4. 04
   Oszilloskop

   Messen Sie CAN-H und CAN-L auf zwei Kanälen gegen Masse oder verwenden Sie einen Differenztastkopf. Achten Sie auf saubere Rechteckbits, eine dominante Differenzspannung von etwa 2 V, gespiegelte Flanken und ein Nachschwingen, das deutlich vor dem Abtastpunkt abklingt.

5. 05
   Teilen und eingrenzen

   Liegt ein Fehler vor, trennen Sie Steuergeräte ab oder teilen Sie die Hauptleitung an einem Steckverbinder und wiederholen Sie die Messungen an jeder Hälfte, bis der Fehler eingegrenzt ist.

08Häufig gestellte Fragen