Fahrzeugnetzwerke: CAN-Bus, LIN-Bus und Multiplexing einfach erklärt

Netzwerke in der Fahrzeugtechnik

Definition und Elemente des Netzwerks

Netzwerk: Eine Menge von Endgeräten (Terminals), die durch eine oder mehrere Übertragungsstrecken und Regeln miteinander verbunden sind, damit die Endgeräte kommunizieren können. Elemente sind: Absender, Empfänger, die Sprache (Protokoll) und der Übertragungskanal.

Protokoll: Ein Satz von Regeln, der sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt sein muss, um die Kommunikation in einem bestimmten Netzwerk zu gewährleisten.

Der Bus als Übertragungssystem

Bus: Ein System, das zur Übermittlung von Informationen genutzt wird. Dieses System wird durch die Geschwindigkeit definiert, mit der die Daten übertragen werden.

Verschiedene Bus-Typen und ihre Anwendungen

• CAN-Bus (Controller Area Network):
  • 2-Draht-Bus (5V): Wird oft für CAN-Anwendungen verwendet.
  • CAN (12V): Wird oft für CAN-Anwendungen verwendet.
  • Comfort/Infotainment: Oft mit 2 Kabeln realisiert.
  • Bluetooth/Drahtlos: Drahtlose Bus-Systeme.
  • 2-Draht-Bus Auto: Der am häufigsten verwendete 2-Draht-Bus im Automobilbereich.

Multiplex-Netzwerke

Multiplex-Netzwerk: Ein digitales Kommunikationssystem, bei dem die verbundenen Elemente denselben Bus für den Austausch von Daten und Signalen gemeinsam nutzen.

Prinzipien und Funktionen des Multiplexings

Die typische Konfiguration eines Multiplex-Systems in einem Fahrzeug besteht aus einer zentralen Einheit und mehreren Bussen, die entsprechend ihrer benötigten Geschwindigkeit verbunden sind. Elemente des Komforts und der Karosserie sind meist an Busse mit geringerer Geschwindigkeit angebunden. Elemente, die direkten Einfluss auf das Fahrverhalten (Traktion und Sicherheit) haben und eine schnelle Antwort erfordern, sind an Hochgeschwindigkeitsbusse angeschlossen.

Details zum Bus

Ein Bus ist eine Übertragungsleitung, die über ein oder zwei elektrische Kabel oder eine Glasfaser realisiert wird. Er versorgt nur die elektronischen Steuergeräte und die Kabel für elektrische Sensoren und Aktoren. Die Bordelektronik-Einheiten besitzen einen Mikroprozessor, um Nachrichten zu erkennen, zu lesen und an die Linie der Sensoren und Aktoren weiterzuleiten, die mit diesem Gerät verbunden sind. Es existieren auch Protokolle für den Austausch von Daten in Echtzeit.

Zusammenschaltung (Interconnection)

Die Verknüpfung verschiedener Netzwerke durch Multiplex-Steuereinheiten ermöglicht den Informationsaustausch zwischen den Stationen, wodurch die Anzahl der Leitungen reduziert und Sensoren optimiert werden. Es werden Hochgeschwindigkeitsnetze für das Management von Antrieb und Motor sowie mehrere Netzwerke mittlerer oder niedriger Geschwindigkeit für Komfort und Karosserie bereitgestellt. Dieses System ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Informationen der Sensoren, um Kommunikationsstrategien zu optimieren, was die Zuverlässigkeit erhöht und Kabelbaum und Kosten reduziert.

Multiplex-System für Wohnkomfort

Komfort-relevante elektrische Geräte sind in der Regel über eine zentrale Einheit mit dem Multiplex-Netzwerk verbunden, um Informationen auszutauschen und bestimmte Aktuatoren zu steuern. Da jede Leitung unterschiedliche Geschwindigkeiten nutzt, sind Leistungselektronik-Einheiten vorhanden, um die Übertragung sicherzustellen, sodass die Daten von jeder Einheit gelesen werden können. Diese Einheit wird oft als UCH (Unit Control Head) oder Gateway im Kombiinstrument bezeichnet und verbindet die CAN-Bus-Linien.

CAN-Bus (Controller Area Network)

Der CAN-Bus ist ein serielles Kommunikationsprotokoll für den digitalen Informationsaustausch zwischen elektronischen Steuergeräten über einen Bus. Die Übertragung erfolgt seriell (Bit für Bit). Das System arbeitet nach dem Multi-Master-Prinzip, bei dem alle Teilnehmer gleiche Rechte haben, Daten auf den Bus zu senden.

Einsatzgebiete des CAN-Busses

1. Steuerung von Antriebseinheiten (High CAN): Anwendungen, die in Echtzeit laufen, wie Motorsteuergeräte, Getriebesteuerung und Fahrdynamikregelung (ESP). Sie regeln die Bewegungen des Fahrzeugs und bieten Übertragungsraten von 125 kbit/s bis 1 Mbit/s.
2. Karosserie- und Komfortelektronik (CAN-Low): Multiplex-Anwendungen zur Steuerung von Komponenten der Karosserie und Komfortelektronik, z.B. Klimaanlage, Zentralverriegelung und Sitzverstellung. Geschwindigkeiten liegen zwischen 10 kbit/s und 125 kbit/s.
3. Mobile Kommunikation: Kommunikation mit Komponenten wie GPS-Navigation, Telefon oder Audiogeräten mit zentralen Anzeige- und Steuereinheiten. Ziel ist die Vereinheitlichung von Betriebsabläufen und die Minimierung der Ablenkung des Fahrers. Geschwindigkeiten bis zu 125 kbit/s.

LIN-Bus (Local Interconnect Network)

Der LIN-Bus ermöglicht Übertragungsgeschwindigkeiten von maximal 20 kbit/s. Er dient dem Anschluss von Aktoren oder Sensoren an die entsprechenden Steuergeräte. Die Befehle werden immer nur in eine Richtung übertragen: von der Master-Steuereinheit an den angeschlossenen Sensor bzw. Aktor, der als „Slave“ fungiert. „Local Interconnect“ bedeutet, dass alle Steuergeräte in einem begrenzten Bereich (z.B. im Dachbereich) angesiedelt sind. Man spricht hier auch vom „lokalen Subsystem“.

Der Datenaustausch zwischen verschiedenen LIN-Bus-Systemen in einem Fahrzeug erfolgt über den CAN-Bus. Der LIN-Bus ist ein einadriger Bus (mono-drahtig).

Aktuelle CAN-Bus-Linien und Geschwindigkeiten

• CAN-Bus Linien: Traktion, Komfort, Infotainment und Diagnose.
• LIN-Bus Anwendungen: Lenkrad, Scheibenwischer und Alarmanlage.
• Übertragungsgeschwindigkeiten: Die CAN-Bus-Linien für Traktion und Diagnose arbeiten mit 500 kbit/s, während Infotainment und Komfort mit 100 kbit/s arbeiten.