Ich habe bereits einige Artikel in diesem Blog verfasst und werde dies auch weiterhin tun, aber in jedem der bisherigen Einträge habe ich den geheimnisvoll klingenden CAN-Bus erwähnt, der im Zusammenhang mit dem Schutz eines modernen Autos vor Diebstahl eine besondere Rolle spielt. Der Grund für die Entwicklung eines solchen Systems zur Übertragung von Signalen zwischen Autokomponenten war die dynamische Entwicklung der Automobilindustrie in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts – die bestehenden Lösungen erwiesen sich einfach als unvorbereitet auf die “neue Zeit”. Wie wurde die Technologie entwickelt? Wie funktioniert der CAN-Bus und wofür wird er verwendet? Einzelheiten siehe unten.
Not macht erfinderisch
Ältere Autofans erinnern sich sicher noch an die 70er und 80er Jahre – in unserem Land, hinter dem Eisernen Vorhang, konnten sich nur wenige die Autos leisten, die im Westen vom Band liefen. In Polen herrschten die technisch anspruchslosen Ladas, Wartburgs und Fiats vor, aber in den Ländern jenseits der westlichen Grenze erlebte das Autofahren seine Blütezeit.
Die Automobilhersteller entwickelten die neuesten Technologien und brachten sie “unter dem Radar” zum Einsatz – die Verwendung elektronischer Komponenten auf der Grundlage integrierter Schaltkreise wurde immer üblicher, vor allem zur “Steuerung” neuer mechanischer Komponenten, die gerade eingeführt oder als fortgeschrittene Prototypen zusammengebaut wurden. Gute Beispiele für solche Systeme sind z. B. ABS, elektrische Einspritzung, Zündung, elektrische Fensterheber oder Servolenkung.
Der nächste natürliche Schritt in der Entwicklung einer jeden Branche besteht darin, all diese modernen Systeme miteinander zu verbinden, um die Bedienung eines Fahrzeugs noch benutzerfreundlicher zu gestalten. Nun, aber.
Damit Menschen aus der Ferne ungehindert und auf hohem Niveau miteinander kommunizieren können, braucht man nicht nur eine gemeinsame Sprache, sondern auch die richtige digitale Kommunikationsplattform. Das Gleiche gilt für Maschinen – die Automobilindustrie steht vor der schwierigen Aufgabe, eine Technologie zu entwickeln, die es den Dutzenden von Geräten, aus denen ein Auto besteht, ermöglicht, nahtlos zu kommunizieren.
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Hier trat das erste Problem auf
Es stellte sich heraus, dass es zu diesem Zeitpunkt einfach keinen geeigneten Standard für die Übermittlung von Informationen gab. Es gab zwar einige im allgemeinen Sinne, aber keiner von ihnen erfüllte die Kriterien. Und davon gab es eine ganze Menge – neben den typischen technologischen Aspekten waren für die Automobilhersteller damals auch Zuverlässigkeit, niedrige Produktionskosten und eine hohe Geschwindigkeit der Datenübertragung wichtig – ohne dies wäre eine weitere, rasante Entwicklung der Automobilindustrie höchst fraglich gewesen.
Bosch hat der Automobilindustrie unter die Arme gegriffen. Die 1981 entwickelte neue Technologie, die auf die Anforderungen der Automobilindustrie zugeschnitten war, wurde CAN (Controller Area Network) genannt. Es ist interessant festzustellen, dass ein so guter Standard für die Informationsübertragung ohne Intel, das die wichtigsten elektronischen Komponenten geliefert hat, nicht in großem Umfang hätte entwickelt und umgesetzt werden können.
Warum brauchten wir alle CAN?
Heutzutage ist der CAN-Bus der absolute Standard für den Datenaustausch, nicht nur im Automobilbereich. Es handelt sich auch um alle Arten von Industrieanlagen, Gebäudeautomation, Produktion, Drucker, Öfen, Klimaanlagen und vieles, vieles mehr.
Das ist heute einfach eine Notwendigkeit. Damals, als die Norm “in den Wohnzimmern” auftauchte, wussten die Automobilhersteller noch nicht, welche Einsparungen ihre Anwendung bringen würde. Bei den Mikroprozessor Systemen, die in den Modellen jener Jahre zum Einsatz kamen, bestand das Hauptproblem in der schwindelerregenden Anzahl von Kabeln und deren Gewicht, was die Gesamtkonstruktion des Fahrzeugs erheblich erschwerte.
In einem durchschnittlichen Auto aus den 80er Jahren betrug die Gesamtlänge der Kabel etwa 3,2 km (ja, Kilometer), und das Gewicht eines solchen Bündels betrug etwa 56 kg. Ist das nicht zu viel? Im Auto war das kein so großes Problem, denn die Motoren jener Jahre waren ohnehin recht sparsam, so dass es nicht wirklich darauf ankam, ob ein Kilo in diese oder jene Richtung ging.
Aber schon bei den damals produzierten Kampfhubschraubern, bei denen jedes in die Luft gebrachte Kilogramm und jede geringe Verbrennung zählte, belief sich das Gewicht des Bündels auf Hunderte von Kilogramm. Und durch die Einführung des CAN-Busses wurden etwas mehr als ein Kilometer Kabellänge und etwa 17 Kilogramm bei den Pkw eingespart.
Kommen wir zum Kern der Sache
Wir kennen bereits den geschichtlichen Hintergrund und die Umstände der Entstehung des CAN-Busses, wir wissen mehr oder weniger, worum es sich handelt, so dass es jetzt notwendig ist, die technischen Aspekte näher zu betrachten.
Der CAN-Bus ist also nichts anderes als ein triviales Zweidraht-Halbduplex-Kommunikationsnetz mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 1Mb/s, das in Echtzeit arbeitet. CAN ist ein Multi-Master-Netzwerk, das die Kommunikation zwischen zwei elektronischen Komponenten ermöglicht. Sie ist schnell, sicher, einfach, fehler- und störungen resistent, und das alles dank der Hardware-Protokoll Verarbeitung und Fehlerkontrolle. Einfach?
Kein Grund zur Aufregung.
Zwei-Draht – es ist bekannt. Der CAN-Bus ist ein Twisted Pair, d.h. in einem Bündel sind mehrere Drähte paarweise verbunden und miteinander verdrillt, um elektromagnetische und gegenseitige Störungen zu vermeiden.
Halbduplex, das heißt: Nachrichten können in beide Richtungen gesendet werden, allerdings abwechselnd. So funktionieren zum Beispiel Walkie-Talkies.
Übertragungsgeschwindigkeit bis zu 1Mb/s – die Intensität des Datenstroms auf dem CAN-Bus. 1Mb/s ist 1 000 000 b/s. Das heißt, eine Million Operationen pro Sekunde.
Multi-Master-Netz: Es handelt sich um ein Netz, in dem die Einleitung der Übertragung von jedem an den Bus angeschlossenen System ausgelöst werden kann. Es gibt kein “gleich und noch gleicher”.
Hardware-Protokoll Abwicklung und Fehlerkontrolle: spezialisierte Steuerungen bilden Nachrichten, steuern den kollisions freien Zugang zum Bus, filtern Nachrichten.
Grundlegende Eigenschaften des CAN-Busses
Die Entwicklung einer solchen Datenübertragungsmethode in jenen Jahren erforderte sicherlich einige kluge Köpfe. Dies lässt sich aus den Hauptmerkmalen der CAN ableiten, aus den faktischen Problemen, die bei ihrem Aufbau zu lösen waren. Die wichtigsten Merkmale des Busses sind:
- Verlässlichkeit, und zwar jede Menge. Der CAN-Bus ist dank der Verwendung einer differenziellen Bitübertragung immun gegen externe elektromagnetische Störungen. Berechnungen zur Abschätzung der Zuverlässigkeit des CAN-Busses haben eindeutig ergeben, dass im Durchschnitt alle 1000 Jahre ein “falsch übertragenes” Bit auftritt! Berücksichtigt man die durchschnittliche Lebensdauer des Busses, die etwa 4.000 Stunden beträgt, so ergibt sich, dass während der Lebensdauer nur etwa 0,00395 unentdeckte Fehler auftreten. Gar nicht so schlecht.
- Die Datenübertragung auf dem CAN-Bus erfolgt ohne ein Mastergerät. Dies verhindert den Verlust von Informationen im Falle einer Kollision auf dem Bus.
- Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 1Mb/s, allerdings nur über eine Entfernung von bis zu 40 Metern. Mit zunehmender Entfernung nimmt auch die Geschwindigkeit ab. Alle Angaben sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:
Wichtigste CAN-Bus-Typen
In der Praxis gibt es zwei Hauptversionen von Protokollen, die für CAN verwendet werden: 2.0A (11-Bit-Identifier) und 2.0B (29-Bit-Identifier), wobei die Version 2.0B natürlich eine Erweiterung der ersteren ist. Die über den CAN-Bus übertragenen Nachrichten werden in speziellen “Paketen”, den sogenannten Frames, zusammengefasst. Ein Rahmen besteht aus sieben Feldern: Anfang, Arbitrierung, Kontrolle, Daten, Prüfsumme, Bestätigung und Ende.
Das Arbitrierung Feld ist offensichtlich das interessanteste – es enthält Nachrichten, die die Priorität des Zugriffs auf den Bus bestimmen – je kleiner die Zahl dort ist, desto höher ist die Priorität. Der Zugriff auf den Bus wird nach der Bit-Dominanz-Methode gewährt. Sie besteht darin, dass alle Teilnehmer den Zustand des Busses prüfen und auf eine Gelegenheit warten, ihre eigene Nachricht zu senden. Konflikte, die sich aus einer möglichen gleichzeitigen Übertragung durch mehrere Stationen ergeben, werden in der Anfangsphase der Übertragung gelöst, wenn ein Arbitrierung Feld mit dem Nachrichten Identifikator gesendet wird.
Die Nachrichten Rahmen der einzelnen Protokolle lauten wie folgt:
Wenn der CAN-Bus in einem Auto ausfällt…
Die CAN-Technologie ist recht komplex. Um sie zu verstehen, ist das Wissen aus zumindest einigen Wissenschaftsbereichen sicherlich nützlich. Die Komplexität der Elektronik in modernen Fahrzeugen, nicht nur in der Premiumklasse, führt dazu, dass es nur eine begrenzte Anzahl von Werkstätten gibt, die mit Bus Ausfällen umgehen können.
Manchmal kommt es vor, dass der Mechaniker nicht wirklich weiß, was er tut. Er handelt blind, und im Falle eines bestimmten Fehlers gelingt es ihm zunächst, einige völlig gesunde Teile des Autos zu ersetzen. Die Reparaturkosten steigen, und das Problem bleibt bestehen.
Ein Laie könnte denken: nur eine einfache Datenübertragung, so etwas wie Strom aus der Steckdose. “Wenn die Klimaanlage nicht funktioniert, könnte ein Problem mit der Stromversorgung vorliegen.
Nun, nicht ganz.
Wir fahren an einem heißen Tag im Auto, es ist wirklich heiß, also schalten wir den Knopf für die Klimaanlage ein und warten auf die richtige Reaktion. Ein paar Sekunden passiert nichts, wir zucken mit den Schultern und öffnen das Fenster. Funktioniert auch nicht! Verdammte Scheiße! So wenig Zeit ist vergangen, und im Auto ist nach dem Drücken des Knopfes schon viel passiert.
Die Taste sendete eine sofortige Nachricht an das elektronische Steuergerät, das schnell verschiedene Sensoren einschaltete und die Bedingungen überprüfte, um festzustellen, ob ein solcher “Befehl” des Fahrers hier und jetzt überhaupt möglich war. Es stellte sich heraus, dass dies der Fall war: Das Steuergerät schickte einen Befehl an den Klimaanlagen Aktuator (Kompressor), sich einzuschalten. Aber es ist nichts passiert, und jetzt seien Sie klug genug, um herauszufinden, was das Problem ist. Gibt es ein Leck? Könnte es ein Schaden am Kompressor sein, eine Unterbrechung im Stromkreis? Vielleicht ist ein Sensor ausgefallen?
Dies geschieht jedes Mal, wenn Sie dem Auto einen Befehl geben. Wenn es keine Reaktion gibt, können Sie natürlich alle Komponenten des Systems einzeln austauschen, aber es kann sich herausstellen, dass der CAN-Bus die Schuld trägt.
Die Komplexität steigt, wenn man bedenkt, dass moderne Fahrzeuge zunehmend zwei Haupt-CAN-Netzwerke verwenden, die sich Aufgaben teilen. Die erste ist für Dinge wie Türschlösser, Alarmanlagen, Sitzsteuerungen, Audiosysteme oder elektrische Fensterheber zuständig. Der zweite kümmert sich um Systeme wie ABS, ASR, ESP oder das Getriebe.
Aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte. In den “anspruchsvollsten” Autos, die mit Elektronik vollgestopft sind, gibt es einen zusätzlichen CAN-Bus, der nur zu Diagnosezwecken dient. Aber das ist immer noch nicht viel, wenn wir das digitale Signal durch ein analoges ersetzen würden, wie bei herkömmlichen Kabeln.
Ganz zu schweigen von ihren Unzulänglichkeiten, aber die einfache Tatsache ist, dass die Dicke des Kabelbaums in solchen Autos buchstäblich absurde Ausmaße annehmen würde, wenn wir alle Funktionen moderner Autos beibehalten wollten. In der Praxis wäre die Entwicklung des Automobils, wie wir sie heute kennen, schlichtweg unmöglich. Und bedenken Sie, dass etwas mehr als die Hälfte aller Defekte in einem bestimmten Auto auf Fehler in der elektrischen Verkabelung zurückzuführen sind. Ergo: Je weniger Kabel, desto besser und billiger.
Elemente des CAN-Busses
Je weniger Kabel, desto besser, aber um die Funktionalität zu erhalten, müssen sie durch etwas ersetzt werden. Nun, der CAN-Bus besteht aus: einem Steuergerät (Controller), einem Sender-Empfänger (Transceiver), zwei Datenbus Anschlüssen und zwei Datenbusleitungen.
Wie funktioniert es also?
Alle diese Komponenten funktionieren nach einem einfachen Prinzip. Stellen Sie sich ein Briefing vor einem typischen Arbeitstag vor. Die Mitarbeiter (Komponenten) versammeln sich, der Chef (Controller) kommt und sagt etwas durch das Mikrofon (Drähte) – was er sagt, kann von allen gehört werden, aber nicht alle sind gleichermaßen interessiert. Es stellte sich heraus, dass die gesamte Rede nur an unseren rechts sitzenden Kollegen gerichtet war – der Rest der Anwesenden fand diese Information nutzlos und ignorierte sie.
Die Rolle der Drähte im Bus wird nach wie vor von klassischen Metall Bündeln (Twisted Pair) übernommen. Es ist jedoch nicht schwer, sich vorzustellen, dass wir bald viel moderne optische Fasern oder einfach elektromagnetische Wellen in jedem Auto haben werden. Twisted-Pair ist derzeit die billigste und beliebteste Variante, aber mit der Einführung neuer Technologien wird auch ihr Preis sinken. Warten wir ab.
Welche Parameter können wir aus dem CAN-Bus auslesen?
Mit entsprechenden Transpondern können wir uns sozusagen an den CAN-Bus “anstecken” und die dort fließenden Signale auslesen. Es handelt sich um vollständige Informationen über den aktuellen Zustand des Fahrzeugs, die aktuellen Parameter des Motors, des Getriebes und so weiter und so fort. Leider legen nicht alle Hersteller moderner Autos die Daten offen, zu denen u. a. gehören:
CAN-Bus im Zusammenhang mit dem wirksamen Schutz eines Fahrzeugs vor Diebstahl
Ich habe bereits erwähnt, dass bei allen elektronischen Systemen in einem Auto der CAN-Bus verwendet wird. Ob das Öffnen der Tür, das Einlegen des Gangs oder das Starten des Motors – bei solchen Befehlen ist die Kommunikation zwischen vielen Elementen erforderlich, und damit der gesamte Vorgang erfolgreich ist, muss die ununterbrochene Bewegung aller dieser Elemente auf dem CAN-Bus gewährleistet sein.
Nun, die Tür öffnen, den Motor starten, laufen lassen… Und was ist, wenn ein Dieb, nicht der Autobesitzer, dies tun will?
Die bereits erwähnte CAN-Bus-Spezifikation muss praktisch jedem vor Augen führen, dass der Verkehr auf einem solchen “Highway” blockiert werden kann. Um die Kontrolle darüber zu behalten, ist es notwendig, dies selektiv zu tun.
Es hat sich herausgestellt, dass es Systeme gibt, die CAN-Wegfahrsperren genannt werden. Dabei handelt es sich um kleine elektronische Geräte, die in der Regel mit einem zusätzlichen Bluetooth-Fob oder einem PIN-Code zur Authentifizierung gekoppelt sind und die Benutzung eines Fahrzeugs vollständig verhindern können, wenn der Eigentümer nicht möchte, dass jemand dies für ihn tut. Dies dient natürlich dem Schutz vor Dieben.
Eines der interessantesten Geräte auf dem Markt ist die von Auto-Schuetzen.de angebotene CAN-Wegfahrsperre. Dieses Unternehmen rühmt sich einer inländischen Fertigung und einer dichten Karte von Qualitäts Servicestellen – die CAN-Wegfahrsperre wird von Fachleuten eingebaut und das Gerät verletzt nicht die Werksgarantie des Fahrzeugs. Und das passiert oft, wenn der Einbau dieser Art von Schutz von unqualifizierten Mechanikern durchgeführt wird – der Kabelbaum wird zerstört und die Garantie ist hinfällig.
Und machen wir uns nichts vor, bei einem Auto im Wert von Zehn- oder Hunderttausenden von Euros ist das besonders schmerzhaft…
CanLock, so der Name dieses Sicherheitssystems zur Diebstahlsicherung, ist in vier Versionen erhältlich, je nach den Bedürfnissen und Anforderungen der Kunden. Es ist erwähnenswert, dass dieses System völlig resistent gegen moderne Diebstahlsmethoden ist: “auf einem Koffer”, “auf einem Gameboy” oder “auf einem Lastwagen” (Sie können darüber in der (Sie können darüber in meinen früheren Beiträgen lesen).
Ich hoffe, dass sich jeder nach der Lektüre dieses Beitrags für den Rest seines Lebens daran erinnern wird, was KANN ist und “was es bewirkt”. Nun, vielleicht nicht bis zum Ende ihres Lebens, aber bis zur nächsten Erfindung dieser Art von Technologie – ganz sicher.
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