CAN-Bus-Grundlagen: Physical Layer, Rahmenstruktur und Fehlererkennung

ISO 11898-2 Physical Layer und Differenzsignalisierung

ISO 11898-2 definiert High-Speed CAN — die Variante, die in fast allen Gebäudeautomations- und Industrieanwendungen verwendet wird. Der Physical Layer nutzt ein Differenzpaar: CAN_H (CAN High) und CAN_L (CAN Low), beide auf GND bezogen. Im rezessiven Zustand (Logik 1) liegen beide Leitungen bei ca. 2,5V, die Differenzspannung beträgt 0V. Im dominanten Zustand (Logik 0) wird CAN_H auf ca. 3,5V und CAN_L auf ca. 1,5V getrieben, was eine 2V-Differenz ergibt, die gegen Gleichtaktstörungen bis ±30V immun ist.

Verwenden Sie ein geschirmtes verdrilltes Paar mit einem charakteristischen Wellenwiderstand von 120Ω — Belden 9841 (einpoliges Paar, 24AWG) oder gleichwertig. Schließen Sie die Abschirmung nur an einem Ende an (typischerweise am Schaltschrank), um Erdschleifen zu vermeiden. Beide Enden des Bussegments müssen mit einem 120Ω-Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L abgeschlossen werden. Split-Terminierung (zwei 60Ω-Widerstände mit einem 4,7nF-Kondensator zur Masse am Mittelpunkt) verbessert die EMV-Leistung in Hochrauschumgebungen.

CAN bus cable (Belden 9841 or equivalent, 120Ω STP):
  CAN_H  → CAN_H terminals on all nodes
  CAN_L  → CAN_L terminals on all nodes
  GND    → GND terminals on all nodes (reference, not signal ground)

Termination resistors:
  Node 1 (first node on bus): 120Ω between CAN_H and CAN_L
  Node N (last node on bus): 120Ω between CAN_H and CAN_L
  All intermediate nodes: NO termination

Measure termination (bus powered off):
  CAN_H to CAN_L resistance should read ~60Ω
  (Two 120Ω resistors in parallel = 60Ω)
  Values outside 54–66Ω indicate missing or extra termination

Bitrate versus Kabellänge

Die CAN-Bus-Bitrate wird durch die Ausbreitungsverzögerung begrenzt — die Zeit, die ein Signal benötigt, um zum entferntesten Knoten zu reisen und zurückzukehren, bevor die Bitperiode endet. ISO 11898-2 legt die Standard-Bitraten- und Kabellängenkombinationen fest. Gebäudeautomationssysteme benötigen selten 1 Mbit/s; 125 kbit/s oder 250 kbit/s ist typisch für HVAC-Geräte über Kabellängen von 100–500m zwischen Technikräumen.

CAN-Rahmenstruktur

Der Standard-CAN-Datenrahmen (ISO 11898-1) besteht aus sieben Feldern. Das Verständnis des Arbitrations-ID-Felds ist entscheidend für die CANopen-Konfiguration — die in CANopen verwendete COB-ID (Communication Object Identifier) ist die 11-Bit-Standard-CAN-ID. Erweiterte Rahmen verwenden 29-Bit-IDs und werden in CANopen mit 4-Byte-COB-IDs (erweiterter Adressierungsmodus) eingesetzt.

Fehlererkennungsmechanismen

CAN verfügt über fünf unabhängige Fehlererkennungsmechanismen, die gleichzeitig arbeiten. Jeder erkannte Fehler veranlasst alle Knoten, den aktuellen Frame zu verwerfen, und den Sender, erneut zu senden. Ein Knoten, der wiederholt Fehler verursacht, wechselt vom fehleraktiven in den fehlerpassiven und schließlich in den Bus-off-Zustand, um das Netzwerk vor einem fehlerhaften Knoten zu schützen.

Nicht-destruktive bitweise Arbitration

Wenn zwei oder mehr Knoten gleichzeitig senden wollen, löst CAN den Konflikt durch bitweise Arbitration, ohne eine der Nachrichten zu zerstören. Jeder Knoten überwacht den Bus während des Sendens — wenn ein Knoten ein rezessives Bit (1) sendet, aber ein dominantes Bit (0) liest, stoppt er sofort die Übertragung und wechselt in den Empfängermodus. Der Knoten mit der numerisch niedrigsten Arbitrations-ID gewinnt immer.

In CANopen bedeutet dies, dass niedrigere COB-IDs eine höhere Priorität haben. Notfallmeldungen (EMCY, COB-ID 0x080 + Knoten-ID) und Heartbeat-Nachrichten erhalten niedrigere COB-IDs als PDO-Daten — so wird sichergestellt, dass Alarme nie hinter Prozessdatenverkehr verzögert werden. Weisen Sie den kritischsten Geräten wie Brandmeldezentral-Gateways oder Kältemaschinenstörungs-Controllern die niedrigsten Knoten-IDs zu.

CAN FD — Flexible Data-rate

CAN FD (ISO 11898-1:2015) erweitert das klassische CAN um zwei Verbesserungen: eine variable Datenphasen-Bitrate bis zu 8 Mbit/s (gegenüber 1 Mbit/s beim klassischen CAN) und eine Nutzdatengröße bis zu 64 Byte (gegenüber 8 Byte). Die Arbitrationsphase läuft weiterhin mit der klassischen Bitrate für Kompatibilität — nur die Datenphase schaltet nach dem BRS-Bit (Bit Rate Switch) auf die höhere Bitrate um.

Diagnose-Tools

Verwenden Sie bei der Inbetriebnahme einen CAN-Analyser, um den Busverkehr zu überprüfen, Fehlerframes zu überwachen und Knoten-IDs zu bestätigen, bevor Sie mit einem CANopen-Gateway integrieren. Drei Tools sind in der Branche Standard.