Die Notwendigkeit der seriellen Kommunikation in Fahrzeugen

Antilock Braking System
Antiblockiersystem (ABS)

Viele Fahrzeuge haben bereits eine große Anzahl elektrischer Kontrollsysteme. Diese enorme Zunahme an elektronischen Elementen resultiert hauptsächlich aus dem Kundenwunsch nach mehr Sicherheit und größeren Komfort, aber teilweise auch aus Vorgaben der Regierung bezüglich Abgasnormen und Verbrauchsregulierung. Kontrollelemente, die diesen Anforderungen Sorge tragen, werden schon seit langem im Bereich der zeitgesteuerten Maschinenbedienung, Drosselregelung von Getriebe- und Vergaser und auch in Antiblockiersystemen (ABS) sowie Antriebs-Schlupf-Regelungen (ASR) eingesetzt.

Die Komplexität des Zusammenspiels dieser verschiedenen Funktionen erfordert einen Austausch von Daten zwischen den Steuereinheiten. Mit konventionellen Systemen werden Daten über dedizierte Signalstrecken ausgetauscht, was aber zunehmend schwierig wurde mit der Zunahme dieser Funktionen. Nicht zu vergessen ist natürlich auch der enorme Kostenaufwand. Im Falle komplexer Kontrollsysteme (wie z.B. Motronic) kann die Anzahl der Kontrollverbindungen nicht mehr weiter erhöht werden.

Antischlupfregelung
Antriebsschlupfregelung (ASR)

Desweiteren wurden einige Systeme entwickelt, die mehr als eine Kontrollfunktion übernehmen sollen. Beispielsweise benötigt ASC das Zusammenspiel von Motortiming und Vergaserkontrolle, um das Drehmoment zu reduzieren, wenn die Räder beim Anfahren durchdrehen sollten. Ein weiteres Beispiel von bereichsübergreifenden Funktionen ist die elektronische Getriebesteuerung, wo der Getrieberadwechsel mit einer genauen Einstellung des Zündzeitpunkts enorm verbessert werden kann.

Legen wir außerdem ein Augenmerk auf die zukünftige Entwicklung in Bezug auf die fortschreitende Fahrzeugoptimierung, so wird es nötig die bereits erwähnten Beschränkungen einer konventionellen Verbindung der Kontrollgeräte hinter sich zu lassen. Das kann aber nur erreicht werden indem die Systemkomponenten mit einem seriellen Datenbussystem vernetzt werden, warum auch Bosch ursprünglich den CAN ( Controller Area Network ) entworfen hat und seit seiner internationalen Standardisierung (ISO 11898) von vielen Halbleiterherstellern als Hardwarebauteil zur Verfügung steht.

Bei der Benutzung von CAN werden gleichgestellte Knoten ( Controller, Sensoren und Aktoren ) über einen seriellen Bus verbunden. Dieser Bus ist ein symetrischer oder asymetrischer Zwei-Leiter-Kreis, der entweder geschirmt oder ungeschirmt eingesetzt wird. Die elektrischen Parameter der physikalischen Übertragung sind in ISO 11898 festgelegt und dementsprechende Bus-Treiberchips sind bei vielen Herstellern verfügbar.

Das CAN Protokoll, das den Data Link Layer des ISO/OSI-Modells nutzt, erfüllt die Echtzeitanforderungen der Automobilindustrie. Anders als in Kabelbäumen übernimmt das Netzwerkprotokoll die Fehlerermittlung und korrigiert Übertragungsfehler, die durch elektromagnetische Interferenzen ausgelöst wurden. Zusätzliche Vorteile eines solchen Netzwerks sind die einfache Konfiguration des Gesamtsystems und die Möglichkeit der zentralen Diagnose. Das Ziel des CAN-Einsatzes in Fahrzeugen ist es jeden Knoten mit dem anderen zu verbinden ohne den Hauptcontroller zu stark zu belasten.

Benutzung von CAN-Netzwerken in Fahrzeugen

Es gibt vier Hauptanwendungsbereiche für serielle Kommunikation in Fahrzeugen mit jeweils unterschiedlichen Anforderungen und Zielen.

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Netzwerkcontroller für Motorsteuerung, Kraftübertragung, Fahrgestell und Bremsen. Die Datenraten sind im für Echtzeitsysteme typischen Bereich zwischen 200kBit/s bis zu 1Mbit/s.

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Netzwerkkomponenten für Fahrgestellelektronik und Komfort, wie z.B. die Lichtkontrolle, Klimaanlage, Zentralverriegelung sowie Sitz- und Spiegeleinstellung. Hauptaugenmerk liegt hier auf den Kosten, sowie auf möglichst geringem Verkabelungsaufwand. Die typische Datenraten liegt bei 50kBit/s.

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In naher Zukunft wird die serielle Kommunikation auch für den mobilen Sektor verwendet werden, um z.B. Autoradios, Autotelefone oder Navigationsgeräte über ein zentrales ergonomisch angepasstes Kontrollterminal steuern zu können. Die Funktionen aus dem Prometheus Projekt, wie z.B. der Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug, aber auch von Fahrzeug zur Außenwelt, wird großteils auf serielle Verbindungen setzen.

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Gegenwärtig wird CAN für die ersten drei Anwendungsfälle eingesetzt, für Diagnosezwecke wird aber meist ein Gerät nach ISO 9141 verwendet.

Industrielle Anwendung von CAN Netzwerken

Ein Verlgeich zwischen den Anforderungen zwischen Fahrzeugbussen und industriellen Feldbussen zeigt erstaunlich viele Übereinstimmungen:

  • Geringe Kosten
  • Zuverlässigkeit in schwierigem elektrischen Umfeld
  • Hohe Echtzeitfähigkeit und
  • Einfache Handhabbarkeit

sind in beiden Bereichen wichtig. Der standardmäßige Einsatz von CAN in der Mercedes-Benz S-Klasse und die Integration von CAN von Automobilherstellern in den USA zur Erreichung von höheren Übertragungsraten (bis zu 1 Mbit/s) hat die Industrie veranlasst ihre Ohren zu spitzen. Nicht nur Hersteller von mobilen oder stationären Landwirtschafts- oder Seefahrtsmaschinerie und -ausrüstung haben sich für den Einsatz von CAN entschieden, sondern CAN findet auch im medizinischen Bereich, Texilbereich und Spezialgerätschaften sowie Aufzugsteuerungen seinen Einsatz. Das serielle Bussystem ist hauptsächlich für die Vernetzung von intelligenten Ein-/Ausgabegeräten sowie Sensoren und Aktoren in Maschinen oder Fabriken geeignet.

Die Textilindustrie ist ein Vorreiter in Sachen CAN. Ein Hersteller rüstete bereits 1990 seine Webmaschinen mit modularen Kontrollsystemen aus, die in Echtzeit über das CAN-Netzwerk kommunizierten. In der Zwischenzeit schließen sich viele Textilmaschinen-Hersteller in der "CAN Textile Users Group" zusammen, die wiederum ein Mitglied der internationalen Vereinigung von Anwendern und Herstellern "CAN in Automation" ist. Ähnliche Anforderungen wie in der Texilmaschinen-Industrie können in der Verpackungsindustrie oder bei Papierherstellern oder -verarbeitern gefunden werden.

In den USA setzen einige Firmen CAN ein um Produktstraßen und Maschinen über den internen Bus mit allen Sensoren und Aktoren zu vernetzen.

Einige Nutzer aus dem Bereich der Medizintechnik entschieden sich für CAN aufgrund ihrer hohen Sicherheitsanforderungen, die sie zu erfüllen haben. Ähnliche Probleme haben auch Herstellern von hochgradig sicherheitskritischer Ausrüstung (z.B. Robotik, Aufzüge und Transportsysteme).

Neben der hohen Übertragungssicherheit sind die niedrigen Verkabelungskosten pro Knoten ein schlagendes Argument für die Entscheidung zu CAN. Für Anwendungen, bei denen der Preis ein kritisches Element ist, ist es von großer Wichtigkeit, dass CAN-Chips von einer Vielzahl von Anbietern vorhanden sind. Die kompakte Bauweise der Controller-Chips ist ebenfalls ein wichtiges Argument speziell im Bereich der Niedervoltschaltgeräte.