Rasanter Anstieg zu übertragender Signale

In den Jahrzehnten seit Einführung des CAN-Busses hat sich das Gefüge von eingebetteten Systemen in Fahrzeugen stark verändert. Die wohl größte Veränderung liegt auf der quantitativen Seite: Gab es zur Zeit der Einführung von CAN einige hundert Signale, die innerhalb eines Fahrzeugs kommuniziert werden mussten, bewegt sich deren Anzahl heute im fünfstelligen Bereich.

Neue Anforderungen, neue Bussysteme

Durch das anwachsende Datenaufkommen ergeben sich immer höhere Buslasten auf den CAN-Bussen. Neben den gestiegenen Bandbreitenanforderungen, hat auch der Bedarf an deterministischem Systemverhalten zur Entwicklung neuer Bussysteme geführt. So wurde für das Infotainment der MOST Bus entwickelt, mit Bandbreiten bis zu 150 Mbit/s. Das deterministische FlexRay Bussystem bietet bis zu 10 Mbit/s für Aufgaben im Fahrerassistenzbereich. Auf der anderen Seite der Bandbreitenskala wurde LIN eingeführt, um einfache Tätigkeiten im Sensor-Aktor-Bereich kostengünstiger zu bewältigen. Die neuen, maßgeschneiderten Bussysteme besetzen Nischen. Der vergleichsweise universal einsetzbare CAN-Bus ist bis heute das beherrschende Bussystem in Kraftfahrzeugen.

Neue Bussysteme kein Ersatz für CAN

CAN durch Bussysteme mit höheren Bandbreiten, wie z.B. FlexRay zu ersetzen, ist nur selten erforderlich. Dagegen sprechen die höheren Kosten für die Hardware, sowie auch der immense Entwicklungsaufwand für die Portierung auf eine neue Technologie.

Die Engpässe bei der Übertragungskapazität von CAN lassen sich meist durch eine größere Anzahl von eingesetzten CAN-Bussen umgehen. Der Trend zur Bus-Vermehrung führt allerdings zum verstärkten Einsatz von Gateways, welche Informationen über Bussystemgrenzen hinweg weiterreichen können.

Performanzgrenze bei CAN

Der begrenzende Faktor für die relativ geringe Übertragungskapazität eines CAN-Busses liegt in einer spezifischen Eigenschaft: Zu gewissen Zeiten einer Botschaftsübertragung sind mehrere Netzknoten gleichzeitig im Sendemodus. Das ist während der Arbitrierung am Beginn einer Botschaft möglich und während der Übertragung des Acknowledge-Bits an ihrem Ende immer der Fall. Die Dauer eines Bits darf somit nicht kürzer sein als die Ausbreitung des entsprechenden Spannungspegels zwischen zwei beliebigen Netzknoten dauert. Dabei ist die Ausbreitungszeit für den Hin- und Rückweg zu berücksichtigen. Ein konkretes Beispiel: Bei einem CAN-Bus von 40m Länge müssen die Bits so lange dauern, dass die daraus resultierende Datenrate nicht mehr als 1 Mbit/s betragen kann.

Mindestdauer eines Bits im Datenfeld nicht nötig

Zwischen der Arbitrierungsphase und dem Acknowledge-Bit einer CAN-Botschaft liegt jedoch ein Bereich, in welchem nur ein einziges Steuergerät sendet. In diesem Bereich gilt die Mindestdauer für Bits nicht. Wie wäre es, dachten sich Entwickler bei Bosch, wenn man diesen mittleren Bereich einer CAN-Botschaft mit erhöhter Geschwindigkeit übertragen würde? Man müsste nur zwischen einer kleinen Geschwindigkeit am Beginn und Ende der Botschaften und einer hohen Geschwindigkeit in ihrer Mitte umschalten können. Genau dies ist der Grundgedanke von CAN FD.