Nutzen Sie die neuesten CAN-Bus-Errungenschaften für sichere, zuverlässige Highspeed-Kommunikationsanwendungen in der Automobiltechnik

Von Majeed Ahmad

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Viele Jahre haben sich Konstrukteure auf CAN (Controller Area Networks) verlassen, um eine zuverlässige Kommunikation zwischen den verschiedenen Subsystemen eines Kraftfahrzeugs und elektronischen Steuergeräten (ECUs, Electronic Control Units) herzustellen. Mit der wachsenden Anzahl an On-Board-Netzwerkknoten hat sich jedoch auch der erforderliche Datendurchsatz erhöht und eine geringere Latenz und erweiterte Sicherheitsfunktionen sind gefordert – und das alles innerhalb enger Größen-, Gewichts- und Kostengrenzen. Viele Konstrukteure würden es jedoch vorziehen, Netzwerktopologien nicht zu ändern, und dank der stetigen Verbesserung der CAN-Spezifikationen und zugehörigen IC-Lösungen müssen sie dies auch nicht.

Ein Umstieg auf eine andere Netzwerktopologie ist schwierig, weil dadurch vorherige Investitionen verloren gehen und aufgrund der Eingewöhnungsphase Verzögerungen in der Entwicklung möglich sind. Der Umstieg lässt sich jedoch vermeiden, betrachtet man die weiterentwickelten CAN-Spezifikationen genauer, wie z. B. CAN FD (CAN Flexible Data-Rate) für höhere Durchsätze, den Einsatz von Techniken wie Partial Networking (Teilnetzbetrieb) für den Umgang mit Streuungsverlusten und Störungen, den Einsatz von kleineren Taktspannen zur Gewährleistung einer zuverlässigen Kommunikation bei höheren Datenraten und erweiterte Sicherheitsfunktionen.

Anbieter von CAN-Transceivern haben auf die Designanforderungen mit stärker integrierten Lösungen reagiert. CAN-Erweiterungen wurden integriert, um neue Anwendungen wie moderne Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Antriebsstränge und Infotainment zu unterstützen.

Dieser Artikel befasst sich kurz mit CAN und CAN-Erweiterungen sowie damit, wie Konstrukteure den Übergang auf höhere Entwicklungsstufen wie CAN FD gestalten können. Vorgestellt werden geeignete CAN-Lösungen und Möglichkeiten, sie für höhere Datenraten, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu nutzen.

CAN Flexible Data-Rate

Da in den Fahrzeugen heute mehr Elektronik integriert ist, fordern Konstrukteure höhere Leistungen. Statt jedoch auf ein völlig anderes Netzwerk umzusteigen, können sie CAN-Erweiterungen verwenden, allen voran CAN FD. CAN FD (CAN mit flexibler Datenrate) bietet Durchsätze von bis zu 5 Mbit/s, während in der ursprünglichen CAN-Spezifikation, die in ISO 11898 definiert ist, nur 1 Mbit/s (max.) angegeben sind. Die Begrenzung der Datenrate zwang Fahrzeugkonstrukteure dazu, mehr CAN-Netzwerkgeräte und -verbindungen hinzuzufügen, was unvermeidlich zu mehr Kabeln, mehr Gewicht und Leistungseinbußen führte.

Der CAN-FD-Standard löst das Bandbreitendilemma mit bis zu 2 Mbit/s unter Normalbedingungen und 5 Mbit/s im Programmiermodus. Diese wesentliche CAN-Verbesserung geht mit einer geänderten Framerate einher, die das Datenfeld von 8 Byte auf 64 Byte erhöht, um datenintensivere Anwendungen effektiver unterstützen zu können (Abbildung 1).

Bild: CAN-FD-Standard, 2012 aktualisiert

Abbildung 1: Der 2012 aktualisierte CAN-FD-Standard erweitert die maximale Anzahl der Nutzdatenbytes von 8 auf 64 Byte. (Bildquelle: Microchip Technology)

Umstellung vom klassischen CAN auf CAN FD

Die Menge der in fahrzeuginternen Netzen übertragenen Daten wächst immer weiter, nicht zuletzt aufgrund zusätzlicher Kameras und Sensoren für moderne Fahrerassistenzsysteme (ADAS). CAN-FD-Netzwerke mit höheren Datenraten sind da hilfreich, erfordern aber ein mehr an Präzision während der Entwicklung. Bei höheren Datenraten schrumpfen beispielsweise der zur Stabilisierung des Bitwerts verfügbare Spielraum rapide, was die Fehleranfälligkeit erhöht und die inhärente Zuverlässigkeit von CAN unterminiert.

Außerdem gibt es Probleme wie störende Leckströme, die durch eine Datenübertragung mit höheren Geschwindigkeiten im CAN-Netzwerk erzeugt werden können. Zudem kann die Implementierung eines CAN-FD-Systems neben einem klassischen CAN eine ziemliche Herausforderung sein im Hinblick darauf, dass nicht aufgrund eines hybriden Netzwerks Fehler eingeführt werden.

Um sich einiger dieser Probleme anzunehmen, führte Microchip Technology den Highspeed-CAN-Transceiver MCP2561/2FD ein. Dieser Transceiver bietet dieselben Kernfunktionen wie sein Vorgänger MCP2561/2 und zusätzlich eine garantierte Schleifenverzögerungssymmetrie, um die höheren Datenraten zu unterstützen, die für CAN FD erforderlich sind (Abbildung 2). Diese wiederum reduziert die maximale Laufzeitverzögerung, um längere Netzwerkverbindungen und mehr Knoten auf dem CAN-Bus zu unterstützen. So hat der CAN-Transceiver MCP2561/2FD eine maximale Laufzeitverzögerung von 120 Nanosekunden (ns).

Schaltbild des Microchip CAN-Transceivers MCP2561/2FD

Abbildung 2: Der CAN-Transceiver MCP2561/2FD hat eine garantierte Schleifensymmetrie, die längere Netzwerkverbindungen und mehr Knoten auf CAN-Bussen ermöglicht. (Bildquelle: Microchip Technology)

Microchip und andere Anbieter von CAN-Transceivern implementieren auch den mit ISO 11898-2:2016 kompatiblen Teilnetzbetrieb-Mechanismus. Teilnetzbetrieb oder „Partial Networking“ gewährleistet einen reibungslosen Übergang vom klassischen CAN zu CAN FD-Systemen mit höheren Geschwindigkeiten durch eine selektive Aktivierung und autonomes Bus-Biasing.

Der Highspeed-CAN-Transceiver TJA1145 von NXP Semiconductors zum Beispiel unterstützt Datenraten von bis zu 2 Mbit/s und verwirklicht den Teilnetzbetrieb über eine Funktion zur selektiven Aktivierung mit der Bezeichnung „FD Passive“. Sie ermöglicht es, dass normale CAN-Controllern, die keine CAN-FD-Nachrichten kommunizieren müssen, während der CAN-FD-Kommunikation im Schlaf-/Standby-Modus bleiben, ohne Bus-Fehler zu erzeugen.

Irgendwann müssen alle CAN-Controller den Highspeed-CAN-Busstandard einhalten, sodass alle CAN-Bus-Knoten zu „FD Active“-Knoten werden. Bis dahin aber schließt Partial Networking die Lücke zwischen klassischem CAN und CAN FD.

NXP bietet auch die Technologie „CAN FD Shield“ an, die CAN FD-Nachrichten mithilfe eines hochgenauen Oszillators dynamisch filtert. Wie beim Teilnetzbetrieb können CAN-Transceiver mit FD-Shield-Funktion vorhandene Transceiver ersetzen, ohne dass Softwareänderungen erforderlich wären. NXP hat die Beurteilung seiner FD-Shield-Technologie mit AUTOSAR (Automotive Open Systems Architecture) abgeschlossen und stellt die Muster wichtigen OEMs und Tier-1-Zulieferern der Automobilbranche zur Verfügung.

Busschutz mit kleineren CAN-Transceivern

Neben schnelleren Datenraten können Konstrukteure auch hoch integrierte CAN-Lösungen nutzen, die die Materialkosten und den Platzbedarf auf der Platine reduzieren. Die Komponenten befinden sich jedoch oft nahe beieinander sowie in der Nähe anderer empfindlicher Elektronikkomponenten, sodass darauf zu achten ist, dass sie keine Störungen verursachen und nicht selbst anfällig für Störungen sind. Deshalb sind elektromagnetische Beeinflussung (EMI) und Rauschfestigkeit wichtige Merkmale. Häufig verwenden CAN-Transceiver diskrete Filter, Gleichtaktdrosseln und Supressordioden (TVS-Dioden), um ESD- und EMI-Problemen zu begegnen.

Weitere Informationen zum Thema TVS für CAN-Busse finden Sie unter „Integration von TVS-Diodenschutz zur Erhöhung der CAN-Bus-Zuverlässigkeit“ (Design-In TVS Diode Protection to Enhance CAN Bus Reliability).

Fahrzeugkonstrukteure suchen jedoch zunehmend nach Wegen, in CAN-basierten Designs das Gewicht zu reduzieren und Kosten zu sparen. Bei den Transceivern TCAN1042 und TCAN1051 von Texas Instruments zum Beispiel wurde die Drossel entfernt, um die Komponentenzahl zu reduzieren, während weiterhin die strikten Störfestigkeitsanforderungen eingehalten werden (Abbildung 3).

Schaltbild des CAN-Transceivers TCAN1042 von Texas Instruments

Abbildung 3: Der CAN-Transceiver TCAN1042 bietet Schutzfunktionen zur Verbesserung der Robustheit des CAN und wird in Anwendungen wie HLK-Steuermodulen der Automobiltechnik und intelligenten HF-Fernbedienungen eingesetzt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein Schutz vor Überspannungs-Busfehlern und elektrostatischer Entladung (ESD) ist in CAN-Systemen, die nun den Anforderungen von 12-Volt-, 24-Volt- und 48-Volt-Batteriesystemen in Fahrzeugen sowie industriellen 24-Volt-Stromversorgungen genügen müssen, unverzichtbar. Er schützt CAN-Bus-Pins vor Kurzschluss-zu-DC-Spannungen mit einer besseren Abstimmung der Ausgangssignale.

Die Transceiver TCAN1042 und TCAN1051 bieten einen ESD-Schutz von bis zu ±15 Kilovolt (kV), was externe TVS-Dioden potenziell überflüssig. macht. Konstrukteure können die Leistung dieser CAN-Transceiver außerdem schnell und einfach mit einem Evaluierungsmodul, dem TCAN1042DEVM evaluieren. Dieses enthält auch Informationen zur CAN-Bus-Terminierung, CAN-Bus-Filterung und Schutzkonzepten.

Die nächste Herausforderung für CAN: Sicherheit

CAN-basierte Fahrzeugnetze zur Verbindung mit ECUs sind relativ unkompliziert und einfach zu verwenden. Eine einzige ECU mit einem Sicherheitsmangel kann jedoch dazu führen, dass das gesamte Fahrzeug Hackerangriffen ausgeliefert ist. Eine bekannte Option zum Schutz der CAN-Kommunikation basiert auf dem MAC-Mechanismus (Message Authentication Code), der Kryptographie und komplexe Schlüsselverteilung einsetzt. Die Verschlüsselung von CAN-Nachrichten erhöht jedoch die CAN-Buslast, die Nachrichtenverzögerung und den Stromverbrauch. Außerdem können Fahrzeugnetze schlecht auf sichere CAN-Kommunikation umgestellt werden, weil bisher eingebaute CAN-Controller zu wenig Rechenleistung haben.

Neuere CAN-Transceiver enthalten einfachere Mechanismen, mit denen der zusätzliche Bandbreitenaufwand, die Verzögerungen und die erhöhte Rechenlast vermieden werden. Diese sicheren CAN-Transceiver können die Nachrichten-IDs so filtern, dass der Transceiver das Senden einer Nachricht zum CAN-Bus verweigern kann, wenn eine kompromittierte ECU versucht, eine Nachricht mit einer ID zu senden, die ihr ursprünglich nicht zugewiesen wurde (Abbildung 4). Neben Spoofing-Versuchen kann ein CAN-Transceiver auch Manipulationen und Flooding-Angriffe verhindern, indem er die Nachricht von der kompromittierten ECU ungültig macht.

Schaltbild neuerer Transceiver, die Nachrichten-IDs filtern

Abbildung 4: Um Latenz- und Bandbreitenanforderungen zu reduzieren und gleichzeitig das CAN-Netzwerk sicherer zu machen, filtern neuere Transceiver Nachrichten-IDs. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Diese CAN-Transceiver bieten Sicherheit vor Flooding, Spoofing und Manipulation ohne den Einsatz von Kryptographie. Sie können einen Cybervorfall erkennen, wenn die Nachricht auf dem Bus mit einem aktiven Fehler-Flag ungültig gemacht wird. Anschließend trennt der sichere CAN-Transceiver den lokalen Host vorübergehend vom CAN-Bus.

Wird keine Sicherheitsbedrohung erkannt, verhält sich der CAN-Transceiver wie ein normaler Highspeed-CAN-Transceiver. Mit anderen Worten: Diese sicheren CAN-Transceiver können problemlos normale CAN-Transceiver in einem ähnlichen Gehäuse ersetzen.

Anbieter wie NXP implementieren hier Sicherheitsfunktionen gänzlich in der Hardware, sodass Sicherheitsoperationen von CAN-Transceivern unabhängig von CAN-Controllern ausgeführt werden können. So wird vermieden, dass Softwareänderungen an der ECU erforderlich werden und dadurch der ECU-Betrieb gestört wird.

Ferner erstellt der CAN-Transceiver ein Protokoll, um sicherheitsrelevante Vorfälle an den Bus zu melden. Diese CAN-Transceiver können auch ihre eigenen Konfigurationsupdates schützen und so als Eindringungserkennungssystem fungieren.

Fazit

Der CAN-Bus wird schon seit 1983 eingesetzt, hat sich aber – wie dieser Artikel gezeigt hat – gut an die Kommunikationsanforderungen der Elektronikkonstrukteure in der Automobiltechnik angepasst. Erstens – und das ist das Wichtigste – werden CAN-Transceiver derzeit mit dem Übergang zu CAN-FD-Netzen und damit höheren Geschwindigkeiten grundlegend erneuert. Zweitens verbessern CAN-Transceiver durch die Eliminierung externer Komponenten wie Gleichtaktdrosseln und TVS-Dioden die Zuverlässigkeit – bei reduzierten Materialkosten und weniger Platzbedarf. Schließlich spielen CAN-Transceiver eine Rolle bei der Sicherung des CAN-Bus, indem Sicherheitsfunktionen in die Transceiver-Hardware eingebettet werden. Damit wird nicht nur der CAN-Bus gesichert, sondern die Zukunft des vernetzten Fahrzeugs.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad ist Elektroniker mit über 20 Jahren Erfahrung in B2B-Technologiemedien. Er ist ehemaliger Chefredakteur der EE Times Asia, einer Schwesterzeitung der EE Times.

Majeed hat sechs Bücher über Elektronik verfasst. Er schreibt zudem regelmäßig für Fachzeitschriften zum Thema Elektronikdesign, darunter All About Circuits, Electronic Products und Embedded Computing Design.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key