Was ist CAN-Bus bei Autos?

In der komplexen Welt moderner Fahrzeuge spielt der CAN-Bus eine unsichtbare, doch entscheidende Rolle, indem er als Kommunikationszentrale für eine Vielzahl kritischer Systeme dient. Vom Motor-Management bis hin zu Sicherheitsfunktionen ermöglicht dieser fortschrittliche technologische Standard einen nahtlosen Dialog zwischen verschiedenen elektronischen Steuergeräten (ECUs). Erfahren Sie hier, wie diese Technologie die Fahrzeugdiagnose revolutioniert hat und wie sie zur Sicherheit und zum Komfort moderner Fahrzeuge beiträgt.

Definition

CAN-Bus (Controller Area Network Bus) ist ein robustes, standardisiertes Fahrzeug-Bussystem, das die Kommunikation zwischen verschiedenen Systemkomponenten (Steuergeräten) in Kraftfahrzeugen ohne einen zentralen Computer ermöglicht. Entwickelt in den 1980er Jahren von der deutschen Firma Bosch, ist der CAN-Bus heute ein fester Bestandteil der Bordnetzarchitekturen in nahezu allen modernen Fahrzeugen und hat sich in verschiedenen Anwendungen der Automatisierungs- und Steuerungstechnik etabliert.

Grundlagen

• Der CAN-Bus ist ein Multi-Master-Netzwerk, das heißt, jede Komponente (Node) kann Daten initiieren und senden. Dies ermöglicht eine Echtzeit-Kommunikation und erhöht die Redundanz, da das System nicht von einem zentralen Controller abhängig ist.
• Er verwendet eine differentielle Signalübertragung, wodurch die Datenkommunikation weniger anfällig für elektromagnetische Störungen ist. Dies ist besonders wichtig in der rauen elektrischen Umgebung eines Kraftfahrzeugs, wo hohe Ströme und elektromagnetische Interferenzen üblich sind.
• Die Daten werden in Frames übertragen, die aus Identifikationsfeldern, Datenfeldern, einer Prüfsumme und weiteren Steuerinformationen bestehen. Diese Struktur ermöglicht es den Steuergeräten, die Relevanz der Daten zu erkennen, sie zu verarbeiten oder zu ignorieren.
• CAN unterstützt Fehlererkennungs- und Fehlerbehandlungsmechanismen. Jeder Node im Netzwerk überwacht die Kommunikation und kann Fehler erkennen und signalisieren, was zur hohen Zuverlässigkeit des Systems beiträgt.

Anwendungen in Fahrzeugen: In modernen Fahrzeugen interagieren zahlreiche elektronische Steuergeräte (ECUs) miteinander, die für verschiedene Funktionen zuständig sind, wie Motorsteuerung, Bremsbetrieb, Fahrerassistenzsysteme, Beleuchtung, Klimaanlage und mehr. Der CAN-Bus verbindet diese Einheiten und ermöglicht einen koordinierten Betrieb durch effiziente Datenübertragung. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand erheblich, da traditionelle Systeme eine Vielzahl von einzelnen Verbindungen benötigen würden, was zu einem hohen Gewicht und Komplexität führen würde.

Obwohl der CAN-Bus primär für die Fahrzeugindustrie entwickelt wurde, wird er auch in vielen anderen Industriebereichen verwendet, darunter Produktion, Schifffahrt, Schienenverkehr und Medizintechnik, was seine Vielseitigkeit und Robustheit unterstreicht.

Welche Systeme im Fahrzeug werden durch CAN-Bus gesteuert?

Der CAN-Bus wird in modernen Fahrzeugen verwendet, um eine Vielzahl von Systemen zu steuern und zu überwachen. Da es eine effiziente und zuverlässige Methode für elektronische Steuergeräte (ECUs) im Fahrzeug bietet, um miteinander zu kommunizieren, findet es Anwendung in fast allen elektronischen Systemen eines modernen Autos. Hier sind einige der Hauptsysteme, die typischerweise durch den CAN-Bus gesteuert oder überwacht werden:

• Motorsteuerung: Sensoren liefern Daten wie Temperatur, Luftdruck und Drosselklappenstellung an das Motorsteuergerät (ECU), das dann Zündzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzung, Aufladung und weitere Parameter regelt, um Leistung, Effizienz und Emissionen zu optimieren.
  
• Bremskontrollsysteme: Der CAN-Bus verbindet Systeme wie das Antiblockiersystem (ABS) und das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) mit Sensoren und Aktuatoren, um das Bremsverhalten in Echtzeit anzupassen und die Fahrzeugstabilität zu gewährleisten.
  
• Airbags: Sensoren kommunizieren über den CAN-Bus mit den Airbag-Steuergeräten, um Informationen über Kollisionen zu übermitteln und die Airbags bei Bedarf sofort auszulösen.
  
• Fahrerassistenzsysteme: Systeme wie adaptive Geschwindigkeitsregelung, Parkassistent, Totwinkelüberwachung und Spurhalteassistenten verwenden den CAN-Bus, um Daten zwischen Sensoren, Kameras, Radareinheiten und Steuergeräten auszutauschen.
  
• Getriebesteuerung: Sensoren senden Daten wie Geschwindigkeit, Motorlast und Fahrbedingungen an das Getriebesteuergerät, das dann Schaltvorgänge optimiert.
  
• Klimaanlage: Temperatursensoren, Gebläse und andere Systemkomponenten verwenden den CAN-Bus, um mit der Klimaanlagensteuerung zu kommunizieren und die Fahrzeugkabine komfortabel zu halten.
  
• Infotainment-Systeme: Moderne Multimedia- und Navigationssysteme verwenden den CAN-Bus, um Informationen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Rückfahrkamera-Signale oder Fahranweisungen zu empfangen.
  
• Fahrzeugdiagnose: Der CAN-Bus wird verwendet, um Fahrzeugdiagnosedaten an Scan-Tools oder On-Board-Diagnosesysteme zu übermitteln, die für die Wartung und Fehlerbehebung wichtig sind.

Diese Systeme repräsentieren nur einen Teil dessen, was über den CAN-Bus in einem modernen Fahrzeug kommuniziert wird. Im Wesentlichen ist fast jede elektronische Funktion, die Überwachung oder Steuerung erfordert, in irgendeiner Weise an den CAN-Bus angeschlossen. Dies ermöglicht eine integrierte Kontrolle und Harmonisierung der Fahrzeugsysteme, verbessert die Sicherheit, Effizienz und den Komfort für den Fahrer und die Insassen.

Wie funktioniert das CAN-Bus System in Autos?

Das CAN-Bus-System in Autos funktioniert als zentrales Kommunikationsnetzwerk, das verschiedene elektronische Steuergeräte (ECUs) innerhalb des Fahrzeugs miteinander verbindet. Durch diese Vernetzung können die ECUs Daten untereinander austauschen und zusammenarbeiten, um verschiedene Funktionen und Prozesse im Fahrzeug zu steuern und zu überwachen. Hier ist eine detailliertere Aufschlüsselung, wie das CAN-Bus-System in Autos funktioniert:

1. Nachrichtenübertragung: Anstatt eine direkte Verkabelung zwischen jedem Gerät und System zu benötigen, ermöglicht der CAN-Bus die Übertragung von Befehlen und Daten zwischen Geräten über ein einziges Kommunikationskabel. Jedes Steuergerät kann Nachrichten senden und empfangen, wobei typischerweise zwei Drähte für die differentielle Signalübertragung verwendet werden, um die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen zu reduzieren.
2. Nachrichtenformat: Nachrichten im CAN-Bus werden in Datenpaketen, sogenannten Frames, übertragen. Ein Frame enthält ein Identifikationsfeld (um die Art der Daten oder den Absender zu kennzeichnen), das eigentliche Datenfeld (die übertragenen Informationen), sowie Felder für die Fehlerprüfung und die Signalisierung des Endes einer Nachricht.
3. Multi-Master-System: CAN-Bus ist ein Multi-Master-System, bei dem jede ECU Nachrichten unabhängig initiieren kann. Es gibt keine zentrale Steuereinheit, die den Datenverkehr kontrolliert, was das System robuster gegenüber Ausfällen macht.
4. Kollisionsvermeidung und Nachrichtenpriorisierung: CAN-Bus verwendet ein Verfahren namens Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR) oder auch Non-Destructive Bitwise Arbitration. Wenn zwei Geräte gleichzeitig zu senden beginnen, werden die Nachrichten anhand ihrer Identifikationsnummern priorisiert. Die Nachricht mit der höheren Priorität (niedrigere ID-Nummer) wird ohne Datenverlust oder -kollision fortgesetzt, während das Gerät mit der niedrigeren Priorität automatisch stoppt und erneut versucht, seine Nachricht zu einem späteren Zeitpunkt zu senden.
5. Fehlererkennung und -isolierung: Das CAN-Protokoll umfasst umfangreiche Fehlererkennungsmechanismen. Jedes Steuergerät überprüft fortlaufend die Integrität der Daten und kann bei Erkennung eines Fehlers eine Fehlermeldung senden. Wenn ein Gerät zu viele Fehler verursacht, wird es vom Netzwerk isoliert, um die Integrität des gesamten Systems zu erhalten.

Durch diese Merkmale ermöglicht der CAN-Bus eine schnelle, zuverlässige und effiziente Kommunikation zwischen den verschiedenen Systemen eines Autos, wodurch die Funktionalität und Sicherheit des Fahrzeugs verbessert wird. Von der Motorsteuerung über das Antiblockiersystem bis hin zur Klimaregelung und selbst Diagnosesystemen – der CAN-Bus ist integraler Bestandteil der modernen Fahrzeugelektronik.

Busanbindung über Transceiver und Buscontroller

Die Anbindung eines Geräts oder einer elektronischen Steuereinheit (ECU) an einen CAN-Bus in einem Fahrzeug erfordert spezielle Hardwarekomponenten, die die physische Schnittstelle zwischen der ECU und dem Bus bilden. Diese Hardwarekomponenten umfassen typischerweise einen CAN-Transceiver und einen CAN-Buscontroller. Beide sind entscheidend für die korrekte Funktion des CAN-Netzwerks, da sie die Umwandlung von Daten in Signale übernehmen, die über den Bus übertragen werden können, sowie die Verwaltung der Kommunikation auf dem Bus selbst.

1. CAN-Transceiver: Der CAN-Transceiver fungiert als Schnittstelle zwischen dem CAN-Buscontroller, der an die ECU angeschlossen ist, und dem physischen Buskabel. Seine Hauptaufgaben sind:
   
   • Signalumwandlung: Er konvertiert die digitalen Daten des Controllers in CAN-Bus-Signale und umgekehrt. Dies beinhaltet die Umwandlung der logischen Bit-Informationen in elektrische Signale, die über den Bus übertragen werden können, und die Rückübersetzung eingehender elektrischer Signale in Daten, die der Controller verstehen kann.
   • Signalübertragung: Der Transceiver übermittelt Signale über die CAN-Bus-Leitung und empfängt Signale von dieser. Es nutzt eine differentielle Signalübertragung, um eine hohe Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen zu gewährleisten, was in der elektrischen Umgebung eines Autos entscheidend ist.
     
2. CAN-Buscontroller: Der CAN-Buscontroller ist direkt mit der ECU verbunden und verwaltet die Datenkommunikation zwischen der ECU und dem Bus über den Transceiver. Zu seinen Funktionen gehören:
   
   • Nachrichtenverwaltung: Der Controller verpackt Daten in CAN-Nachrichtenframes gemäß dem CAN-Protokoll und entpackt eingehende Frames in Daten, die von der ECU verarbeitet werden können. Dies umfasst die Festlegung von Nachrichten-IDs, die Überprüfung der Nachrichtenintegrität durch Fehlerprüfsummen und die Signalisierung des Anfangs und Endes einer Nachricht.
   • Busmanagement: Der Controller überwacht den Busstatus und verwaltet die Übertragungszeiten. Er verwendet das CSMA/CR-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority) für die Buszugriffskontrolle, um Kollisionen zu vermeiden und die Übertragungspriorität zu bestimmen.
   • Fehlererkennung und -handling: Der Controller verfügt über Mechanismen zur Erkennung und Signalisierung von Fehlern auf dem Bus und kann bei schwerwiegenden Fehlern den betreffenden Node vom Netzwerk trennen, um die allgemeine Netzwerkintegrität zu erhalten.

Zusammengefasst ermöglichen der CAN-Transceiver und der CAN-Buscontroller einer ECU die Kommunikation mit dem CAN-Netzwerk durch Konvertierung, Übertragung und Verwaltung von Daten gemäß den Protokollstandards des CAN-Busses. Sie sind entscheidend für die zuverlässige und effiziente Funktion des CAN-Netzwerks in modernen Fahrzeugen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu CAN-Bus Systemen bei Autos

Was bedeutet die Abkürzung „CAN“ im Kontext von Fahrzeugsystemen?

„CAN“ steht für „Controller Area Network“. Es handelt sich um einen Kommunikationsbus-Standard, der eine effiziente, zuverlässige und schnelle Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen und Komponenten in einem Fahrzeug ohne die Notwendigkeit eines zentralen Host-Computers ermöglicht.

Warum wurde der CAN-Bus eingeführt?

Der CAN-Bus wurde eingeführt, um die wachsende Anzahl elektronischer Steuergeräte (ECUs) in modernen Fahrzeugen effektiv zu vernetzen. Bevor der CAN-Bus existierte, wurden einzelne Steuergeräte durch spezifische Verdrahtungen verbunden, was zu komplexen, schweren und teuren Verkabelungssystemen führte. Der CAN-Bus vereinfachte dies, indem er eine zentralisierte Kommunikationsstruktur für die Übermittlung von Signalen und Befehlen zwischen verschiedenen Fahrzeugsystemen bot.

Ist der CAN-Bus sicher vor externen Hackversuchen?

Obwohl der CAN-Bus ein robustes und zuverlässiges Kommunikationssystem bietet, wurde er ursprünglich nicht mit einer starken Sicherheit oder Verschlüsselung entwickelt, da der Fokus auf Leistung und Zuverlässigkeit lag. In den letzten Jahren gab es Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von CAN-Bus-Systemen vor Hackerangriffen. Als Reaktion darauf implementieren Fahrzeughersteller zunehmend Sicherheitsmaßnahmen wie Firewalls, Intrusion-Detection-Systeme und Datenverschlüsselung, um die Kommunikation innerhalb des CAN-Busses und die Systemintegrität zu schützen.

Können Fahrzeugeigentümer auf den CAN-Bus zugreifen, um Fahrzeugdaten auszulesen oder Anpassungen vorzunehmen?

Ja, mit dem richtigen Equipment und Kenntnissen können Fahrzeugeigentümer oder Mechaniker auf den CAN-Bus zugreifen. OBD-II (On-Board Diagnostics II) Scanner, die mit dem CAN-Bus kompatibel sind, können verwendet werden, um Diagnosedaten auszulesen oder sogar gewisse Anpassungen vorzunehmen. Es ist jedoch wichtig, Vorsicht walten zu lassen, da unsachgemäße Änderungen zu Fahrzeugproblemen oder Sicherheitsrisiken führen können.

Was passiert, wenn der CAN-Bus ausfällt?

Bei einem Ausfall des CAN-Busses können Fahrzeuge in einen sog. „Notlaufmodus“ gehen, bei dem nur die grundlegenden Fahrzeugfunktionen betrieben werden, um das Fahrzeug sicher zu halten, während andere Funktionen wie Klimaanlage, Infotainment und manchmal sogar bestimmte Antriebs- und Stabilitätskontrollen deaktiviert werden können. In schwerwiegenden Fällen kann das Fahrzeug möglicherweise nicht starten oder betrieben werden.

Gibt es Alternativen oder Ergänzungen zum CAN-Bus in modernen Fahrzeugen?

Ja, neben dem CAN-Bus gibt es weitere Kommunikationssysteme wie LIN (Local Interconnect Network) für weniger zeitkritische und einfache Peripheriegeräte, MOST (Media Oriented Systems Transport) für hochbandbreitige Multimedia-Anwendungen, und FlexRay für hochgeschwindigkeitskritische Anwendungen wie Fahrerassistenzsysteme. Die Auswahl hängt von den spezifischen Anforderungen der Fahrzeugsysteme ab.

Wie hat der CAN-Bus die Fahrzeugdiagnose verändert?

Durch die Einführung des CAN-Busses wurde die Fahrzeugdiagnose erheblich vereinfacht und verbessert. Früher benötigten Mechaniker verschiedene Werkzeuge und Verfahren für jedes Fahrzeug oder System. Mit dem CAN-Bus können sie nun ein standardisiertes Diagnosetool verwenden, das an den OBD-II-Anschluss angeschlossen wird, um auf Fehlercodes zuzugreifen, Echtzeitdaten zu überwachen und Systemtests für eine Vielzahl von Fahrzeugen und Systemen durchzuführen.

Weiterführende Informationen

Literatur

1. Meilan Zhou, Xue Ao, Jian Wang – Fault Diagnosis of Automobile Based on CAN Bus, Springer-Verlag, 2011

Online Publikationen

1. Hamburger Abendblatt, Was ist ein CAN-Bus-System?, 2005 – https://www.abendblatt.de/ratgeber/auto-motor/article108674154/Was-ist-ein-CAN-Bus-System.html
2. Qiangsheng Ye, Department of Information Engineering, Jilin Business and Technology College, Changchun, China – 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE), 2010 – Research and application of CAN and LIN bus in automobile Network System