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CAN ausreizen mit Topologiekomponenten

by Frank Pastors | Jun 30, 2016

In CAN-Netzwerken setzt im Standardeinsatz das zugrunde liegende Transportprotokoll dem System strukturelle Grenzen. Konkret bietet CAN heute eine Übertragungsrate von 1 Mbit/s, solange eine Gesamt-Leitungslänge im Netzwerk von 25 Metern nicht überschritten wird. Sind längere Verbindungsstrecken erforderlich, muss jedoch die Übertragungsrate gesenkt werden – je weiter die zu überbrückenden Distanzen sind, desto ausgeprägter ist der eintretende Geschwindigkeitsverlust. Mithilfe geeigneter Topologiekomponenten jedoch lassen sich auch in einem weitläufigen Netzwerk hohe Bandbreiten gewährleisten. Spezifische Vorzüge unterschiedlicher Lösungen werden im Folgenden erläutert.

CAN Topologie-Komponenten 

Bild 1: Mit geeigneten Topologiekomponenten lassen sich auch in weitläufigen CAN-Netzwerken hohe Bandbreiten erreichen

 

Die Erweiterung und Flexibilisierung eines CAN-Netzwerkes ist mittels unterschiedlicher Komponenten möglich. Dazu zählen zunächst Repeater, mit denen beispielsweise statt einer einfachen Anreihung von Busknoten auch Stern- oder Baumstrukturen implementiert werden können. Bridges und Gateways wiederum ermöglichen vor allem eine physikalische Ausdehnung bestehender Linienverbindungen. Und selbst für die drahtlose Kommunikation kann ein CAN-Netzwerk mit geeigneten Komponenten ertüchtigt werden.

 

Sterne einrichten, Segmente entkoppeln,
Kupfer und LWL verknüpfen

 

CAN-Repeater dienen prinzipiell zur physikalischen Kopplung zweier oder mehrerer Segmente eines CAN-Bussystems. Zudem lassen sich mit ihnen Baum- oder Sterntopologien sowie lange Stichleitungen realisieren. Grundsätzlich wird das Echtzeitverhalten eines Systems durch den Einsatz von Repeatern und Sternkopplern nicht beeinflusst. Ein Anwendungsszenario, in dem die Standard-Linientopologie von CAN an ihre Grenzen stößt, findet sich beispielsweise bei Windkraftanlagen, in denen die drei Flügelverstellungen (Pitch-Controller) über CAN mit dem Master-Controller kommunizieren sollen. Hier macht es ein CAN-Repeater möglich, eine Sternverzweigung zu den einzelnen Flügeln des Windkraftrades aufzubauen. Damit wird außerdem deren galvanische Entkopplung und somit ein erweiterter Blitzschutz erreicht. Bei unerwarteten Störungen im Netzwerk können bestimmte fehlerhafte Netzwerksegmente mittels einer integrierten Überwachungsfunktion aus dem Netzwerk genommen werden, um eine stabile Kommunikation der übrigen Netzwerkteilnehmer weiterhin zu gewährleisten. Sobald die Störung beseitigt ist, wird das gestörte Netzwerksegment unterbrechungsfrei wieder mit dem restlichen Netzwerk verbunden. Die durch den Repeater verbundenen CAN-Systeme stellen eigenständige elektrische Segmente dar, die signaltechnisch optimal abgeschlossen werden können – so sind Topologien realisierbar, die mit einer einfachen Leitungsführung des Busses in einer Linie wegen elektrischer Reflexionen nicht möglich wären.

Repeater

Bild 2: CAN-Repeater in einer Windkraftanlage machen eine Sterntopologie möglich

 

Zum Funktionsspektrum von Repeatern zählt auch die Kopplung unterschiedlicher physikalischer CAN-Schichten, so z.B. in Form der Umsetzung von High- auf Low-Speed-CAN oder von Kupfer- auf Glasfaserleitungen. CAN-Repeater verbessern zudem allgemein die EM-Verträglichkeit und das Abstrahlverhalten von CAN-Systemen. Die integrierte galvanische Trennung verhindert z.B. bei IXXAT CAN-Repeatern von HMS bis 4 kV die Ausbreitung von Störungen über das Netzwerk. Außerdem werden Störungen, die durch elektromagnetische Einflüsse oder die Kabelqualität verursacht werden, durch die Signalwiederholung des CAN-Repeaters herausgefiltert.

 

Leitungen verlängern, Kommunikation filtern,
Funkstrecken etablieren

 

Im Gegensatz zu CAN-Repeatern, die sich zur Verlängerung der Linienleitungen an sich nicht eignen, dienen CAN-Bridges und -Gateways direkt der Erweiterung der maximalen Netzwerkausdehnung. Darüber hinaus können mit CAN-Bridges Netzwerke unterschiedlicher Bit-Rate oder Protokolle miteinander verbunden werden. Diese Geräte basieren auf dem Store(-Modify)-Forward-Prinzip, bei dem CAN-Nachrichten von einem Teilnetzwerk empfangen und dann im anderen Teilnetzwerk gesendet werden. Hierbei können auch Umsetz- und Filterregeln zum Einsatz kommen, wodurch z.B. eine Protokollanpassung zwischen den Teilnetzwerken durchgeführt werden kann.

Bridges 

Bild 3: Mit Bridges lassen sich die Leitungslängen in CAN-Netzwerken ausdehnen

 

Durch die integrierte Filterfunktion können Nachrichten beispielsweise vor dem Umsetzen von einem auf das andere Netzwerk herausgefiltert werden, um die Buslast auf den jeweiligen Netzwerken möglichst gering zu halten. Die Teilsys-teme arbeiten in Bezug auf die Busarbitrierung vollkommen autark, was die eingangs erwähnte größere maximale Netzwerkausdehnung gestattet. CAN-Bridges werden besonders in der Gebäudeautomation sehr häufig eingesetzt. Hier werden mit Hilfe dieser Geräte verteilte Subnetze mit einander verbunden. Gerade in Gebäuden ist es wichtig, die Leitungsverlegung flexibel anpassen zu können, sodass die CAN-Kommunikation bei typischer Linientopologie mit begrenzten Stichleitungslängen reibungslos funktioniert. In Fällen, in denen die Datenübertragung über eine feste Leitung schwierig ist, wie beispielsweise bei einem Drehtisch, lässt sich auch eine Funkübertragung implementieren. Die Kopplung kann in diesem Fall z.B. per CANblue von HMS, das die CAN-Datenkommunikation via Bluetooth ermöglicht, erfolgen. Der Nachrichten-austausch erfolgt auf Schicht 2 und ist transparent. Daher eignet sich diese Lösung für den Einsatz mit ganz unterschiedlichen CAN-basierten Protokollen – von CANopen oder DeviceNet bis hin zu kundenspezifischen Varianten. Bei Verwendung mehrerer CANblue-Einheiten kann die Kopplung der Gerä-te dynamisch erfolgen.

Gateways

Bild 4: IXXAT CAN@net II/Generic von HMS für die Kopplung von CAN-Systemen über Ethernet

 

Brücken bauen zwischen Protokollfamilien

 

Mit einem Gateway wie dem CAN@net II/Generic von HMS schließlich können CAN-Netzwerke mit anderen Netzwerktypen – insbesondere Industrial Ethernet – einfach verbunden werden. Diese Netzkopplung im Bridge-Mode wird häufig eingesetzt, wenn sich die beiden zu verbindenden Netzwerke nicht in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Mit CAN-Bridges dieser Art werden etwa auf Schiffen übergeordnete Controller und ein CAN-Netzwerk verbunden, um z.B. eine effiziente Kommunikation zwischen Motorsteuerung und Brückensteuerung zu ermöglichen. Für diesen Bridge-Betriebsmodus sind zwei CAN@net II/Generic erforderlich. Der Austausch der CAN-Nachrichten erfolgt über TCP/IP, wobei Filtertabellen hinterlegt werden können. Zur Konfiguration der TCP/IP-Kommunikationsparameter dient ein komfortables PC-Tool mit automatischer Geräteerkennung. Über den auf dem CAN@net II/Generic implementierten Webserver wird die Bridge-Funktion eingerichtet und die Einstellung der CAN-Konfigurationsparameter vorgenommen. Bridge-Lösungen existieren aber nicht nur zur Verknüpfung von CAN und Ethernet. In vielen Anwendungen ist es auch nötig, Geräte mit einer einfachen RS-232-Schnittstelle in ein CAN-Netzwerk einzubinden. Mit dem CAN-GW100/RS-232-Gateway finden diese Geräte bequem Anschluss an den Bus in CAN- oder CANopen-Betriebsart. Die technische Umsetzung erfolgt in der CAN-Betriebsart (Schicht 2), wobei die empfangenen CAN-Daten transparent auf RS-232 übertragen werden. Die mittels RS-232 gesendeten Daten werden dann in Telegramme gepackt. Für das Senden und für den Empfang der CAN-Daten steht jeweils ein konfigurierbarer Identifier zur Verfügung. In der CANopen-Betriebsart arbeitet das CAN-GW100/RS-232 als CANopen-Teilnehmer. Die seriellen Daten werden als Bytestream-Objekt im herstellerspezifischen Objektverzeichnisbereich abgelegt und per PDO übertragen.