Leistungsfähigere Netzwerke durch CAN Repeater

In der konventionellen Installation von CAN-Netzwerken ist die Linienanordnung die einzig mögliche Topologie. Stichleitungen sind in der zulässigen Länge stark eingeschränkt, Baum- oder Sternstrukturen sind nicht möglich. Gelingt es diese Restriktionen in der Netztopologie zu beseitigen, kann in vielen Fällen eine Steigerung der Systemleistung bei Senkung der Kosten erreicht werden. Der Einsatz von Repeatern schafft die für die Optimierung der Struktur von CAN-Netzen benötigte Flexibilität.

Flexible Topologie

Die Einschränkung der zulässigen Netztopologie auf die Linienanordnung resultiert aus dem Hochfrequenzverhalten von Leitungen. Zur Vermeidung von Reflexionen, die sich als Minderung der Signalqualität auswirken, ist eine konstante Impedanzverteilung im gesamten System erforderlich. Daraus folgt für CAN-Netzwerke nach ISO 11898, dass zur Realisierung von der Linienstruktur abweichender Topologien Systemteile vom HF-Verhalten her zu entkoppeln sind. Dies ist durch den Einsatz von protokolltransparenten Repeatern und Bridges möglich. Protokolltransparente Repeater stellen eine besonders elegante Lösung dar, da sie mit akzeptablem Aufwand realisierbar sind und die Vorteile des CAN-Protokolls - gleichzeitige Verfügbarkeit und netzwerkweite Konsistenz der Daten - erhalten, während die durch das Hochfrequenzverhalten gegebenen Beschränkungen gelöst werden.

Fehlerunterdrückung

Der Einsatz von Repeatern bringt neben der Zulässigkeit alternativer Netztopologien weitere Vorteile. Hierzu zählen die Reduktion von Störungen durch Bildung kürzerer Einzelsegmente und insbesondere die Eingrenzung von Fehlern in der Verdrahtung. Diese Eigenschaft wird bei der Betrachtung von Kurzschlüssen zwischen Leitungen des CAN-Kabels deutlich. Entsteht ein Kurzschluss zwischen den Signalen CAN_High und CAN_Low, so wird in einem System ohne Repeater die Kommunikation völlig unterbunden. Der gleiche Fall innerhalb eines durch Repeater abgetrennten Teilnetzes führt zwar zum Ausfall des Teilnetzes, der Rest des Netzes arbeitet jedoch ohne Einschränkungen weiter. Ähnlich stellt sich die Situation beispielsweise bei einem Kurzschluss von CAN_High nach Masse dar. Selbst im ungünstigsten Fall, dem Kurzschluss von CAN_Low nach Masse bei gleichzeitigem Kurzschluss von CAN_High zur positiven Versorgung - dies resultiert in permanent dominantem Pegel - ist mit entsprechender Zusatzlogik eine Eingrenzung des Fehlers möglich.

Teilsegmente mit optischer Signalübertragung

Weitere Vorteile bietet die Repeatertechnologie durch die Möglichkeit, Systemteile durch Einsatz optischer Teilstrecken galvanisch zu trennen. Im einfachen Fall werden dazu Repeater mit integrierten Optokopplern eingesetzt. Auf diese Weise ist beispielsweise das Verschleifen von Massepotentialen mit den daraus resultierenden Ausgleichsströmen zu verhindern. Weitergehende Trennung ergibt sich bei Einsatz von Lichtwellenleiterstrecken für die Übertragung des CAN-Signals. Durch Einsatz der Repeatertechnik können beliebige Teilsegmente mit LWL ausgeführt werden. Neben kompletter elektrischer Trennung, auch für sehr hohe Spannungen - z.B. als Schutz gegen Blitzeinwirkung - und Isolierung hochfrequenter Störsignale, ergibt sich durch den Einsatz von LWL auch die Möglichkeit, CAN-Segmente in elektrisch extrem gestörter Umgebung zu führen.

Repeatereinsatz am Beispiel

Ein Beispiel soll die genannten Zusammenhänge verdeutlichen. In einer Produktionsanlage sind einzelne Stationen mittels CAN vernetzt. Der Hauptstrang des Netzwerks ist in einem Kabelkanal verlegt, der entlang der Produktionslinie verläuft. Um die einzelnen Stationen anzubinden, ist bei konventioneller Installation des CAN jeweils eine Schleife eingefügt, die zu den einzelnen Geräten führt. Die Länge des Kabels vom Hauptstrang zum entferntesten Knoten einer Station wird mit 15m angenommen, eine Länge, die bei der Anbindung verteilter Knoten leicht erreicht wird. Bedingt durch die Verdrahtungsanforderungen der Linieninstallation wird das Kabel in einer Schleife zum Hauptstrang zurückgeführt. Nimmt man an, dass sieben dieser Stationen mit einem Abstand von 20m zwischen zwei Abzweigpunkten installiert sind, ergibt sich die resultierende Kabellänge wie folgt: 2 * 15m (äußere Stationen zum Hauptstrang) plus 6 * 20m (zwischen den Abzweigpunkten im Hauptstrang) plus 5 * 30m (Schleife der inneren Stationen). Dies ergibt eine Gesamtlänge von 300m mit einer Signallaufzeit von etwa 1650ns. Dem gegenübergestellt sei die selbe Applikation, jedoch unter Nutzung eines Repeaters an jedem Abzweigpunkt am Hauptstrang. Der Hauptstrang läuft nun direkt von der ersten zur letzten Station. Die Kabellänge ergibt sich aus 2 * 15m (äußere Stationen zum Hauptstrang) plus 6 * 20m (zwischen den Abzweigpunkten des Hauptstranges) zu 150m. Hinzu kommen fünf Abzweigungen mit je einem Repeater und 15m Kabel. Die komplette installierte Kabellänge ist nun 225m. Zur Kalkulation der Zeitanforderungen muss die maximale Verzögerung zwischen zwei Knoten betrachtet werden. Unter Einsatz schneller Repeater, auf Basis der heute verfügbaren Transceiver, ist die maximale interne Verzögerung äquivalent mit der Signallaufzeit über etwa 25m Kabel. Im betrachteten Fall ergibt sich die maximale Signallaufzeit zwischen den äußeren Knoten der äußeren Abzweige mit Repeater (kritischer Pfad). Die äquivalente Länge ist 2 * 15m (äußere Station zum Hauptstrang) plus 2 * 25m (Längenäquivalent der Repeater-Laufzeit) plus 4 * 20m (Hauptstrang) und somit 160m entsprechend einer Verzögerung von etwa 880ns. Im Vergleich der beiden Installationen weist die Repeater-Lösung mit 880ns nur etwa die Hälfte der Laufzeit der konventionellen Installation (1650ns) auf. Die mögliche Datenrate wird dabei im Vergleich zur konventionellen Installation im Beispiel nahezu verdoppelt. Darüberhinaus führt die Fehlereingrenzung dazu, dass bei einem Kurzschluss innerhalb einer Station das Gesamtsystem mit Ausnahme dieser Station funktionsfähig bleibt.

Fazit

Durch Einsatz von CAN Repeatern lassen sich - insbesondere bei ausgedehnten Netzwerken - wesentliche technische Vorteile erreichen. Bei geeigneter Wahl der Netztopologie kann über die Erhöhung der zulässigen Bitrate eine Steigerung der Systemleistung erzielt werden. Weitere Vorteile, zum Beispiel die Fehlereingrenzung, ergeben sich unabhängig von der Wahl einer bestimmten Topologie. Applikationsfelder für CAN Repeater finden sich insbesondere bei ausgedehnten Installationen im Maschinen- und Anlagenbau und in der Gebäudeautomatisierung.