CAN-Bus Struktur (Topologie) & Bus-Abschluss

Thema:

Welche Punkte müssen bei einem CAN Bus Netzwerk als Voraussetzung für einen zuverlässigen, fehlerfreien Datenaustausch beachtet werden?

Lösung:

Es gibt mehrere wichtige Grundlagen, die bei einem CAN Netzwerk und dessen Verdrahtung beachtet werden müssen. Die wichtigsten Punkte sind:

• An jedem der beiden physikalischen Endpunkte eines CAN Netzwerks muss ein Bus-Abschluss (von je 120 Ohm) vorhanden sein.
  
  
• Ein CAN Netzwerk geht von seinem Anfangspunkt immer von einem CAN Gerät zum nächsten weiter mit einem Bus-Abschluss an den beiden Endpunkten. Ein CAN Netzwerk hat keine(!) Ringstruktur und es sollten keine (!) Stichleitungen vorhanden sein.
  
  
• Mindestens ein CAN Gerät muss eine eindeutig konfigurierte CAN Bitrate besitzen. Falls bei mehr als einem CAN Gerät fixe CAN Bitraten konfiguriert sind, so müssen diese alle identisch sein.
  
  
• Jede CAN Knoten-ID (= sogenannte "Node ID") darf nur einmal im Netzwerk vorhanden sein, d.h. alle CAN Slaves müssen eine unterschiedliche Node ID besitzen. 

CAN Bus-Abschluss

Jedes CAN Netzwerk muss an den beiden physikalischen Endpunkten der Verdrahtung jeweils einen Bus-Abschluss mit 120 Ohm besitzen.

Anmerkungen:
Ein Bus-Abschluss ist über die Installation von externen 120 Ohm Widerständen zwischen der "CAN High" und "CAN Low" Leitung an den beiden Endpunkten des Netzwerks möglich (wie in der Darstellung oben gezeigt). Einige CAN Geräte besitzen die Möglichkeit intern installierte Bus-Abschlüsse über Schalter zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Bei den EPOS2 und EPOS4 Steuerungen in der "Compact" Bauform oder im Gehäuse ist dies sehr einfach über DIP-Schalter möglich. Die entsprechende Information finden Sie in der "Hardware Referenz" Ihrer EPOS Steuerung.

Es sollten Kabel mit verdrillten Leitungen ("CAN High" und "CAN Low") verwendet werden. Der "CAN GND" muss ebenfalls verbunden werden. Bei grösseren CAN-Netzwerken oder der Möglichkeit von elektromagnetischen Störungen (z.B. durch induktive Lasten bzw. Motoren in Maschinen) ist die Verwendung von speziellen CAN-Bus Kabeln und der grossflächige Anschluss des Kabelschirms auf ein Erdpotential stark empfohlen. Hinweise wie der Kabelschirm in der Praxis bestmöglich und kostengünstig auf Erdpotential gelegt wird, finden sich in diesem Dokument:
Wie legt man den Kabelschirm auf Erde?

Hinweis:
Es muss unbedingt beachtet werden, dass in einem CAN Netzwerk nur zwei Bus-Abschlüsse vorhanden bzw. konfiguriert sind. Mit einer Widerstandsmessung zwischen der "CAN High" und "CAN Low" Leitung kann dies im abgeschalteten(!) Zustand sehr einfach überprüft werden. Der gemessene Widerstandswert muss in diesem Fall circa 60 Ohm betragen. Ein tieferer Messwert als 60 Ohm deutet mit grosser Wahrscheinlichkeit daraufhin, dass mehr als zwei Bus-Abschlusswiderstände (von je 120 Ohm) vorhanden (bzw. konfiguriert) sind. Ein Wert von grösser als 60 Ohm deutet daraufhin, dass ein Bus-Abschluss fehlt oder Bus-Abschlüsse mit einem falschen Widerstandswert verwendet wurden.
Abschliessend muss die korrekte Lage der beiden Bus-Widerstände von je 120 Ohm an den beiden Endpunkten des Netzwerks visuell überprüft werden.

CAN Netzwerk-Struktur (Topologie)

Die korrekte CAN Netzwerk-Struktur (sogenannte Topologie) ist wichtig um CAN Fehler beim Datenaustausch aufgrund von Signalreflexionen und -störungen zu vermeiden.

• Jedes CAN Netzwerk geht immer von einem CAN Gerät zum nächsten CAN Gerät weiter.
  • Ein CAN Bus besitzt keine(!) Ringstruktur.
  • Stichleitungen sollten prinzipiell vermieden werden und dürfen nicht länger als 30 cm sein. 
  • Die maximale mögliche CAN Bitrate hängt von der gesamthaften Kabellänge des CAN Netzwerks ab:
    -> 1 Mbit/s: max. 40 m
    -> 500 kBit/s: max. 100 m
    -> 125 kBit/s: max. 500 m

Beispiele von korrekten CAN Bus Verdrahtungen:

• CAN Bus Topologie mit dem CAN Master als einem Endpunkt des Netzwerks:
  
  Die Bus-Abschlüsse sind als externe Widerstände an den beiden Endpunkten des Netzwerks vorhanden.
  
  
• CAN Bus Topologie mit dem CAN Master irgendwo innerhalb des Netzwerks:
  
  Die Bus-Abschlüsse sind bei diesem Beispiel über die DIP-Schalter "Bus termination = ON" der beiden EPOS4 an den Endpunkten des CAN-Netzwerk konfiguriert. Der DIP-Schalter aktiviert einen internen 120 Ohm Widerstand zwischen der "CAN High" und "CAN Low" Leitung.
  
  

CAN Übertragungsrate (= CAN Bitrate)

Einige CAN Geräte (wie die maxon EPOS2 und EPOS4 Steuerungen) besitzen die Möglichkeit eine sogenannte "Automatische Bitraten-Erkennung" (= "Automatic bit rate detection") zu aktivieren. Hierbei bestimmt das CAN Gerät anhand eines vorhandenen Datenverkehrs die verwendete Bitrate und passt sich auf diese an. Bei einer solchen Konfiguration muss mindestens ein CAN Gerät eine fixe CAN Bitraten-Einstellung besitzen. Typischerweise wird in einem solchen Fall bei dem CAN Master oder dem EPOS CAN-Gateway eine fixe CAN Bitrate konfiguriert.

Falls mehr als ein CAN Gerät eine fixe CAN Bitraten-Einstellung besitzt, so muss sichergestellt sein, dass diese für alle CAN Geräte mit fixer Bitraten-Konfiguration identisch ist.

CAN Knoten-ID (= CANopen Node ID)

Bei jedem CAN Slave in einem CAN Netzwerk muss eine eigene (d.h. nicht identische) CAN Node ID konfiguriert werden. Bei Kommunikationsfehlermeldungen oder CAN Bus Kollisionen sollten Sie überpüfen, dass im Netzwerk keine CAN Slaves mit identischer Node-ID vorhanden sind. Eine Node-ID von '0' ist ebenfalls nicht zulässig.

Tipp:
In der Regel wird die Node-ID über DIP-Switches oder Hex-Schalter konfiguriert und ist somit einfach visuell zu kontrollieren. 

Querverweis:

Ergänzende Informationen zur Verdrahtung und Konfiguration bei Nutzung der EPOS4 USB/CAN oder RS232/CAN Gateway Funktionalität finden sich in dem folgenden verlinkten Support Center Dokument:

• EPOS4: USB/CAN bzw. RS232/CAN Gateway

Informationen, Dokumente und Links zu CANopen Grundlagen für den Datenaustausch und Programmierung finden sich in dem folgenden verlinkten Support Center Dokument:

• CANopen: Grundlagen und Links