CAN trifft Ethernet, aber wie funktioniert das?

CAN trifft Ethernet (Bild: Vector Informatik)

Das Software-defined Vehicle wird die Zukunft der Fahrzeugvernetzung bestimmen. Derzeit kommen jedoch immer noch etwa 80 Prozent der Steuergeräte mit einer Bandbreite von etwa 10 Mbit/s aus. Auch in Zukunft wird die 10-Mbit/s-Domäne die Fahrzeugvernetzung prägen. So ist es nicht verwunderlich, dass es in diesem Bereich viele spannende Innovationen gibt. Um die wesentlichen verfügbaren Optionen verstehen zu können, ist zunächst ein Blick auf die technischen Einzelheiten der einzelnen Vernetzungssysteme notwendig.

Vernetzung per Ethernet und CAN (XL)

Rund 80 Prozent der KFZ-Steuergeräte kommen mit etwa 10 Mbit/s Bandbreite aus. Daher gibt es weiterhin Innovationen für diese Vielzahl an Anwendungen. CAN-FD-SIC-Transceiver beschleunigen CAN-FD-Netzwerke. Mit 10BASE-T1S steht ein Ethernet-basiertes System mit 10 Mbit/s am Start. Damit ist eine Ethernet-Vernetzung in regelungstechnischen Systemen möglich. CAN XL punktet in Zusammenhang mit CAN-SIC-XL-Transceivern hinsichtlich Skalierbarkeit sowie der Möglichkeit, komplexe Topologien im KFZ zu nutzen.

FlexRay

Ein Blick zurück: es begann mit FlexRay, denn FlexRay war der erste Vertreter im 10 Mbit/s- Bandbreitenbereich und wurde ursprünglich für Drive-By-Wire-Funktionen konzipiert. FlexRay stellt dazu zwei Kanäle für eine redundante Kommunikation und einen Netzwerkzugriff per Time Division Multiple Access (TDMA) zur Verfügung. Allerdings zeigte sich schnell, dass bei FlexRay eher die erhöhte Bitrate genutzt wurde und es weniger für den ursprünglich angedachten Anwendungsfall zum Einsatz kam. Um lediglich für eine Erhöhung der Bitrate zu sorgen, ist FlexRay allerdings zu schwerfällig, weil die Kommunikation im Netzwerk aufgrund der Zeitsteuerung vorgeplant werden muss. Da jeder Teilnehmer die Zeitsteuerung kennt, ist bei Änderungen oder Erweiterungen ein hoher Anpassungsaufwand notwendig. Nicht nur die Funktionsentwicklung ist davon betroffen, sondern auch die Fahrzeugdiagnose und das Netzwerkmanagement. Dazu kommt ein hoher Konfigurationsaufwand, um überhaupt eine lauffähige Kommunikation zu erzielen. Aus diesen Gründen kam der Wunsch der Industrie auf, ob mehr Bandbreite sich nicht einfacher realisieren ließe.

CAN wird schneller: CAN FD

CAN hatte sich in der Industrie aufgrund seiner hohen Robustheit und seines eleganten, latenzfreien Netzwerkzugriffs etabliert. Aufgrund dessen lag die Frage nahe, ob CAN sich beschleunigen lässt. Diese Frage ist zweigeteilt zu beantworten. In der Arbitrierungsphase, in die mehrere Teilnehmer gleichzeitig senden können, ist CAN auf maximal 1 Mbit/s beschränkt. Der Grund dafür ist, dass auch die beiden am weitesten voneinander entfernten Teilnehmer eine Kollision im Netzwerk noch innerhalb einer Bitzeit korrekt erkennen müssen. In der Datenphase, in der lediglich ein Teilnehmer sendet, lässt sich die Bitrate jedoch erhöhen. Damit war die Grundidee für CAN FD geboren. Neben der Möglichkeit, die Bitrate in der Datenphase zu erhöhen, stellt CAN FD auch noch eine erhöhte Datenlänge zur Verfügung; sie kann nicht nur 8 Byte, wie beim klassischen CAN, sondern bis zu 64 Datenbyte betragen werden. Zum Vergleich: FlexRay bietet eine Datenlänge von 254 Byte, aber davon werden in der Praxis jedoch nur zwischen 40 und 50 Byte genutzt. So erscheinen 64 Byte bei CAN FD als eine gute Wahl.

Zu Beginn der CAN-FD-Entwicklung ging man davon aus, mit üblichen CAN-High-Speed Transceivern auf Bitraten um die 10 Mbit/s zu kommen. Die Praxis zeigte allerdings, dass sich mit CAN FD in linearen Netzwerken maximal 2 Mbit/s realisieren ließen sowie 5 Mbit/s bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Für viele Anwendungsfälle ist das in Verbindung mit der erhöhten Datenlänge vollkommen ausreichend. Allerdings erhoffte sich die Industrie mehr – nicht nur hinsichtlich der Bitrate, sondern auch in Bezug auf mögliche Netzwerktopologien.

Bild 1: Ein CAN-FD-Signal ohne Signalverbesserung zeigt das Überschwingen („Ringing“).
Bild 1: Ein CAN-FD-Signal ohne Signalverbesserung zeigt das Überschwingen („Ringing“). (Bild: Vector Informatik)

CAN FD SIC bietet effektive Signalverbesserung

Die Beschränkung der Bitrate bei CAN FD liegt an den in einem Netzwerk auftretenden Reflexionen. Bei einem linearen Netzwerk ohne Stichleitungen löschen Abschlusswiderstände an den Enden des Netzwerks die Reflexionen. Sobald allerdings die Vernetzung mit längeren Stichleitungen oder passiven Sternen erfolgt – das ist in der Automobilindustrie durchaus üblich – kommt es zu Reflexionen. Diese verursachen das sogenannte „Ringing“, bei dem ein Überschwingen des Signals dazu führt, dass ein Bit gegebenenfalls nicht mehr mit dem korrekten Pegel erkannt wird (Bild 1). Das Problem für Einschränkungen bei CAN FD ist also bekannt. Das Ringing tritt im Wesentlichen beim Übergang des dominanten zum rezessiven Pegel auf. Das liegt daran, dass der dominante Pegel aktiv erzeugt wird, während der rezessive Pegel passiv durch das Netzwerk generiert wird. Was fehlte, war eine Lösung. Eine Arbeitsgruppe des CAN in Automation e.V. (CiA) erarbeitete eine Lösung für diese Problematik und spezifizierte sie im Dokument CiA601-4. Daraus resultierten CAN-FD-SIC-Transceiver, wobei „SIC“ hier für „Signal Improvement Capability“ steht. Mehrere Halbleiterhersteller bieten bereits entsprechende Produkte an.

Bild 2: Das SIC-Prinzip: Ein aktiv gesteuerter rezessiver Pegel verringert das Überschwingen von Signalen.
Bild 2: Das SIC-Prinzip: Ein aktiv gesteuerter rezessiver Pegel verringert das Überschwingen von Signalen. (Bild: Vector Informatik)

Die Signalverbesserung eines SIC-Transceivers ergibt sich durch eine kurze aktive Phase beim Übergang des dominanten Pegels zum rezessiven Pegel (Bild 2). Diese Maßnahmen unterdrücken das Überschwingen, so dass der Pegel sicher erkannt werden kann (Bild 3). Mit CAN-FD-SIC-Transceivern lassen sich Netzwerke mit Stichleitungen und Sternen und Bitraten bis zu acht 8 Mbit/s realisieren.

Bild 3: Ein CAN-FD-Signal mit Signalverbesserung zeigt deutlich weniger Signal-Überschwinger.
Bild 3: Ein CAN-FD-Signal mit Signalverbesserung zeigt deutlich weniger Signal-Überschwinger. (Bild: Vector Informatik)

Alles Infos zur Konferenz Automotive Software Strategy

Am 24. und 25. April 2024 findet die 5. Konferenz Automotive Software Strategy statt. Zu den Themen zählen unter anderem das Software-Defined Architectures, intelligentes Datensammeln sowie Safety&Security. Aber nicht nur die Vorträge stehen im Vordergrund.

Weitere Informationen zur Automotive Software Strategy finden Sie hier.

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10BASE-T1S: Ethernet-10-Mbit/s-Domäne

Für ADAS/AD-Anwendungen wurde Automotive Ethernet entwickelt – zunächst mit einer Bitrate von 100 Mbit/s, dann folgten Gigabit- und Multigigabit-Ethernet. So ist der Gedanke naheliegend, das gesamte Fahrzeug mit Ethernet zu vernetzen. Um Ethernet auch bis in die regelungstechnischen Systeme zu bringen, die heute mehrheitlich mit CAN (FD) oder auch FlexRay vernetzt sind, wurde das 10-Mbit/s-Ethernet 10BASE-T1S entwickelt. Während die Teilnehmer der schnellen Ethernet-Varianten meist über Switches miteinander verbunden sind, bietet 10BASE-T1S eine Multi-Drop-Vernetzung an, ist also als Bus ausgelegt und kommt daher ohne Switch aus. 10BASE-T1S ist aber durchaus flexibel, was die Anbindung der Teilnehmer betrifft. So bietet 10BASE-T1S grundsätzlich die Möglichkeit zum Halb- oder Vollduplex-Betrieb bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung sowie den Halbduplex-Betrieb in einem Multi-Drop-Netzwerk. Da im automobilen Umfeld nur der letztgenannte Fall von praktischer Bedeutung ist, wird auf andere Möglichkeiten hier nicht eingegangen.

10BASE-T1S gemäß IEEE 802.3cg und der OPEN Alliance: mit PLCA

Der Standard IEEE 802.3cg definiert lediglich die Mindestanforderungen an ein 10BASE-T1S-Multi-Drop-Netzwerk. Die OPEN Alliance hat im Rahmen ihrer Technical Committees eine genaue Definition sowie Kompatibilitätstest für die Übertragungsstrecke (Link-Segment) erarbeitet. Die Übertragung findet mit Hilfe eines verdrillten Adernpaars statt. Wobei die Länge des Busses bis zu 25 m betragen kann und an beiden Enden mit einem 100-Ohm-Widerstand abgeschlossen ist. Es werden bis zu acht Teilnehmer unterstützt, die mit Stichleitungen bis zu einer Länge von zehn Zentimeter angeschlossen werden können.

Bild 4: PLCA-Sendezyklus: Der PLCA-Mechanismus vermeidet Kollisionen im Netzwerk.
Bild 4: PLCA-Sendezyklus: Der PLCA-Mechanismus vermeidet Kollisionen im Netzwerk. (Bild: Vector Informatik)

Der Zugriff auf den Bus erfolgt grundsätzlich mit Hilfe des für Ethernet typischen CSMA/CD-Verfahrens (Carrier Sense, Multiple Access/Collision Detection): Bei gleichzeitigem Buszugriff mehrerer Teilnehmer kommt es dabei zu Fehlern am Bus, und alle Teilnehmer müssen die Übertragung wiederholen. Das führt zu längeren unkalkulierbaren Latenzen und im ungünstigen Fall zu einer massiven Reduzierung der nutzbaren Bandbreite. Da der Einsatzbereich der 10BASE-T1S-Technologie speziell für den regelungstechnischen Bereich gedacht ist, ist das in der Praxis ein großer Nachteil gegenüber den existierenden Technologien wie CAN (FD) oder FlexRay. Aus diesem Grund kommt als Netzwerkzugriff ein neues Verfahren, das Physical Layer Collision Avoidance (PLCA), zum Einsatz. Dahinter verbirgt sich ein flexibler zeitgesteuerter Mechanismus, der einfach in der Anwendung ist. Ein Teilnehmer, als „Head Node“ bezeichnet, sendet ein sogenanntes „Beacon“. Das Beacon signalisiert den Beginn eines Sendezyklus (Bild 4). Jedem Teilnehmer ist dabei ein fester Sendeslot zugeordnet, in dem er sendeberechtigt ist. Damit sind Zugriffskollisionen am Bus effektiv verhindert , und die maximale Zeit bis zum nächsten Sendeslot ist bekannt. Da ein Teilnehmer nicht zwingend seinen Sendeslot zur Übertragung einer Ethernet-Botschaft nutzen muss, variiert die Dauer eines Zyklus.

Bild 5: Mögliche PHY-Architekturen bei 10BASE-T1S. Bestehende Funktionsblöcke (blau) werden zu neuen Einheiten zusammengefasst. Die sich ergebenden Schnittstellen (rot) werden standardisiert.
Bild 5: Mögliche PHY-Architekturen bei 10BASE-T1S. Bestehende Funktionsblöcke (blau) werden zu neuen Einheiten zusammengefasst. Die sich ergebenden Schnittstellen (rot) werden standardisiert. (Bild: Vector Informatik)

Vorteil von 10BASE-T1S

Der Vorteil von 10BASE-T1S liegt in der einfachen Integration in eine Ethernet-basierte Vernetzung. Ein 10BASE-T1S-Bus lässt sich über einen Switch an das restliche Fahrzeugnetzwerk ankoppeln, und das spart ein teures Gateway. Softwareseitig nutzt 10BASE-T1S den gleichen Kommunikationsstack wie die schnelleren Ethernet-Varianten. Dies ermöglicht im gesamten Netzwerk eine einheitliche und durchgängige Kommunikation – von den Zentralsteuergeräten bis zu den Sensoren und Aktoren. Eine serviceorientierte Kommunikation, zum Beispiel basierend auf SOME/IP, ist somit einfach zu realisieren. Das PLCA-Netzwerkzugriffsverfahren ist in der physikalischen Übertragungsschicht gekapselt und somit für den Softwarestack transparent.

Momentan ist der 10BASE-T1S-PHY über die verbreitete und standardisierte MII-Schnittstelle (Media-Independent-Interface) realisiert, und er fügt sich damit nahtlos in das bestehende Ethernet-Ökosystem ein. An weiteren Alternativen zur Anbindung, ähnlich zu einer CAN-Transceiver-Schnittstelle, arbeitet die OPEN Alliance derzeit (Bild 5). Dabei werden die bestehenden Funktionsblöcke wie Transceiver, PLCA oder CSMA/CD-MAC zu neuen Einheiten zusammengefasst und die sich ergebenden Schnittstellen standardisiert. Dies ermöglicht künftigen Systemen mehr Flexibilität und kann dazu beitragen, die Kosten weiter zu reduzieren.

Bild 6: Der CAN-XL-AUTOSAR-Stack.
Bild 6: Der CAN-XL-Autosar-Stack. (Bild: Vector Informatik)

CAN XL und Ethernet – auch in Kombination mit Autosar

Robustheit, Flexibilität in der Vernetzungstopologie sowie vor allem der zerstörungsfreie Netzwerkzugriff haben CAN erfolgreich und beliebt gemacht. Zeitgesteuerte Systeme benötigen immer eine gewisse Planung der Kommunikation, und bei Änderungen müssen Anpassungen an mehreren Teilnehmern erfolgen. Wäre es also nicht möglich, die Vorteile, die CAN bietet, auch in eine IP-basierte Kommunikation im 10-Mbit/s-Bereich zu integrieren? Diese Frage stellten sich Anwender und brachten so CAN XL auf den Weg. Damit eine Integration in eine IP-basierte Kommunikation möglich ist, wurde der Datenbereich bei CAN XL auf 2048 Byte erweitert, wobei sich der Datenbereich in Byte-Schritten von 1 bis 2048 Byte skalieren lässt. Mit einer Datenlänge von 2048 Byte ist es möglich, einen Ethernet-Frame in einen CAN-XL-Frame einzupacken. Wie das zu erfolgen hat, ist bei der CiA im Dokument CiA611-1 spezifiziert. Dieser Mechanismus ist auch in das CAN-XL-Autosar-Konzept übernommen, das in der Autosar Classic Release R22-11 veröffentlicht wurde. Dabei erfolgte im Wesentlichen eine Anpassung der unteren Schichten des Kommunikationsstacks.

Der CAN-Treiber ist in der Lage, sowohl mit einem Ethernet- als auch mit einem CAN-Interface zusammenzuarbeiten. Über das Ethernet-Interface ist es nun möglich, CAN XL in eine IP-Kommunikation einzubinden und damit auch serviceorientierte Protokolle, wie SOME/IP, zu nutzen. Über das CAN-Interface werden weiterhin Funktionen bedient, wie Netzwerkmanagement und das CAN-Zustands-Management (Bild 6). Diese Architektur erlaubt SOME/IP-Kommunikation und klassische signalbasierte CAN-Kommunikation auf demselben CAN-XL-Netzwerk.

Bild 7: CAN-SIC-XL-Transceiver schalten in der Datenphase für Bitraten bis zu 10 Mbit/s nicht nur die Bitrate um, sondern auch den Modus des Transceivers.
Bild 7: CAN-SIC-XL-Transceiver schalten in der Datenphase für Bitraten bis zu 10 Mbit/s nicht nur die Bitrate um, sondern auch den Modus des Transceivers. (Bild: Vector Informatik)

Die CAN-FD-SIC-Technologie ermöglicht Bitraten bis zu 8 Mbit/s. Das ist also noch nicht ausreichend um in die 10-Mbit/s-Domäne vorzudringen. Eine neue Transceiver-Technologie ist notwendig. Diese wird als CAN SIC XL bezeichnet. Dabei hat man sich an der bei FlexRay eingesetzten Technik orientiert. Um Bitraten größer 10 Mbit/s zu erreichen, sind beide Pegel aktiv getrieben, außerdem ist die Differenzspannung reduziert. In der CAN-XL-Datenphase wird für Bitraten größer 10 Mbit/s also nicht nur die Bitrate umgeschaltet, sondern auch der Modus des Transceivers (Bild 7). In der Arbitrierungsphase kommt die CAN-SIC-Technologie zum Einsatz, mit den gängigen CAN- Spannungspegeln. In der Datenphase wird der Transceiver in den beschriebenen Fast-Modus geschalten. Im Gegensatz zur Bitratenumschaltung, die bei CAN XL zwingend ist, ist das Umschalten des Transceiver-Modus optional. Das heißt, wenn eine Bitrate bis zu 8 Mbit/s ausreichend ist, kann der CAN SIC XL Transceiver ohne Modusumschaltung genutzt werden. Er verhält sich dann wie ein herkömmlicher CAN FD SIC Transceiver. Mit CAN SIC XL Transceivern sind bei eingeschaltetem Fast-Modus-Bitraten bis zu 20 Mbit/s möglich. Dabei sind die Bitraten im Bereich von 1-20 Mbit/s skalierbar. Auch komplexe Netzwerktopologien können mit CAN SIC XL Transceivern realisiert werden.

Kurzvideo: CAN XL - The Next Step in CAN Evolution

Dr. Arthur Mutter, Vorsitzender der Special Interest Group CAN XL bei CAN in Automation, erklärt binnen 2:45 Minuten in dieser Live-Demo, wie Ethernet-Frames und CAN-XL-Frames durch denselben CAN-Bus laufen – und zwar parallel! Signalbasierte Kommunikation kann parallel zu einer Anwendung laufen, die auf Ethernet-Tunneling basiert.

CAN XL im Vergleich zu CAN FD

Mit CAN XL und CAN FD existieren jetzt zwei CAN-Varianten am Markt. Wie kommen beide Varianten zusammen? Gibt es Vorteile der einen gegenüber der anderen Variante? Die gute Nachricht: CAN XL und CAN FD sind kompatibel, CAN-FD-Knoten können in einem CAN-XL-Netzwerk betrieben werden. Allerdings fordert die Kompatibilität den Einsatz von CAN-FD-Transceivern, CAN-FD-SIC-Transceivern oder CAN-SIC-XL-Transceivern, letztere ohne Nutzung des Fast Modes. Im Transceiver Fast Mode ist lediglich CAN-XL-Kommunikation möglich.

Hinsichtlich der Robustheit bietet CAN XL einige Vorteile gegenüber CAN FD. CAN XL trennt die Verantwortlichkeiten durch die Trennung von Netzwerkzugriff und Adressierung. Deshalb stellt CAN XL lediglich einen 11-Bit-Identifier für den Netzwerkzugriff zur Verfügung. Dieser heißt jetzt auch folgerichtig „Priority ID“. Adressierungsinformationen, die seither häufig unter Nutzung des 29-Bit-Identifiers kodiert wurden, können jetzt im neuen „Acceptance Field“ untergebracht werden. Neben einem 32 Bit langem Frame CRC bietet CAN XL zusätzlich einen „Preface CRC“ zur Absicherung der Kontrollinformationen und gewinnt damit noch einmal deutlich an Robustheit. Einen weiteren Robustheitsgewinn gewährleistet CAN XL durch zwei dedizierte Umschaltfelder: Arbitration-to-Dataphase-Switch (ADS) und Dataphase-to-Arbitration-Switch (DAS). Diese werden sowohl zum Umschalten der Bitrate als auch zum Umschalten des Transceiver-Modus genutzt. Bei CAN FD erfolgt die Bitratenumschaltung am Abtastpunkt eines einzelnen Bits, einmal am BRS Bit und am CRC Delimiter Bit. Diese Bits werden damit mit zwei unterschiedlichen Bitraten übertragen. Unterschiedliche Abtastzeitpunkte der Teilnehmer innerhalb der Umschalte-Bits führen zu unterschiedlichen Bitlängen dieser Bits und können so zu Synchronisationsproblemen führen. Dieses Manko gehört mit CAN XL der Vergangenheit an (Bild 8).

Bild 8: Beispiel für einen CAN-XL-Frame.
Bild 8: Beispiel für einen CAN-XL-Frame. (Bild: Vector Informatik)

Software Defined mit flexibler Physik – die 10-Mbit/s-Domäne ist gerüstet

Mit 10BASE-T1S und CAN XL stehen zwei Vernetzungstechnologien zur Verfügung, die IP-Kommunikation auch in den Randbereichen der Fahrzeugnetzwerke erlauben. Beide Lösungen weisen Vorteile auf. 10BASE-T1S punktet mit einer einheitlichen Softwarearchitektur, während CAN XL mit klassischen CAN-Attributen wie Robustheit und Flexibilität besticht. Mit der CAN-SIC-Technologie lassen sich CAN-FD-Netzwerke hinsichtlich Geschwindigkeit und Komplexität erweitern. Durch Verbesserungen hinsichtlich der Robustheit gegenüber CAN FD kann CAN XL für Anwendungsfälle zum Einsatz kommen, die momentan mit CAN FD gelöst sind. Die Kompatibilität der beiden CAN-Varianten kommt dem entgegen.

Abschließend lässt sich sagen: die 10-Mbit/s-Domäne im Fahrzeug ist bestens gerüstet. Das zeigen die vielfältigen Innovationen, die gerade entstehen oder in jüngerer Vergangenheit entstanden sind. (av)

Peter Decker

Dipl.-Ing. (FH) Peter Decker ist seit 2002 bei Vector Informatik und arbeitet als Product Manager im Bereich Networks and Distributed Systems.  

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