CAN und CANopen

Stell dir eine Anlage mit einer Steuerung und zwanzig Sensoren und Aktoren vor. Klassisch bekommt jedes Gerät seine eigene Leitung zur Steuerung — bei digitalen Signalen je eine Ader pro Signal, dazu Versorgung und Masse. Das wird schnell unübersichtlich, teuer und fehleranfällig. Jede nachträgliche Erweiterung bedeutet neue Adern, neue Klemmen, neue Dokumentation.

Ein Bussystem dreht das Prinzip um: Alle Teilnehmer hängen an derselben gemeinsamen Leitung und teilen sich diese. Jede Nachricht enthält eine Kennung, sodass jeder Teilnehmer selbst entscheidet, ob eine Botschaft für ihn bestimmt ist. Statt sternförmiger Einzelverbindungen gibt es eine durchgehende Leitung, an die man weitere Geräte einfach anhängt.

CAN — kurz für Controller Area Network — wurde ursprünglich für das Kraftfahrzeug entwickelt, um den wachsenden Kabelbaum in den Griff zu bekommen. Heute steckt CAN in praktisch jedem Auto, aber ebenso in Baumaschinen, Aufzügen, medizinischen Geräten und in der Industrieautomatisierung. Seine Stärken: robust gegen Störungen, einfache Verdrahtung, kein zentraler Verwalter nötig und ein eingebautes Verfahren, das wichtige Nachrichten zuerst durchlässt.

CAN regelt allerdings nur, wie Daten über die Leitung gehen — nicht, was die Datenbytes bedeuten. Genau diese Lücke füllt CANopen, das wir ab Kapitel 4 betrachten.

Der CAN-Bus besteht im Kern aus zwei verdrillten Adern: CAN_H und CAN_L. Die Information steckt nicht im Pegel einer einzelnen Ader gegen Masse, sondern in der Differenzspannung zwischen beiden Adern. Das ist der Grund für die hohe Störfestigkeit: Eine eingekoppelte Störung trifft beide Adern nahezu gleich und hebt sich in der Differenz weitgehend auf.

Die physikalische Schicht des schnellen CAN (High-Speed-CAN) ist in der EN ISO 11898 festgelegt. Dort sind die beiden Buszustände definiert:

• rezessiv (logisch 1): CAN_H und CAN_L liegen nahe beieinander, die Differenz ist annähernd 0 V
• dominant (logisch 0): die Adern werden auseinandergezogen, die Differenz beträgt rund 2 V

Die Begriffe dominant und rezessiv sind bewusst gewählt: Treibt ein Teilnehmer dominant, während ein anderer rezessiv lässt, setzt sich der dominante Zustand durch. Dieses Verhalten ist die physikalische Grundlage für das Buszugriffsverfahren in Kapitel 3.

Abschlusswiderstände und Topologie

Ein CAN-Netz ist als Linie aufgebaut: eine durchgehende Stammleitung, von der die Teilnehmer über möglichst kurze Stichleitungen abzweigen. An beiden Enden der Stammleitung sitzt je ein Abschlusswiderstand von 120 Ω. Diese Widerstände verhindern Signalreflexionen am Leitungsende, die sonst die Botschaften verfälschen würden.

Weil beide 120-Ω-Widerstände aus Sicht der Adern parallel liegen, misst man über einen intakten, spannungsfreien Bus etwa 60 Ω — ein einfacher und sehr nützlicher Prüfwert, auf den wir in Kapitel 6 zurückkommen.

Bitrate und Leitungslänge

Bei CAN hängen Bitrate und maximal mögliche Leitungslänge zusammen. Der Grund liegt im Buszugriffsverfahren: Während eines bestimmten Bits muss der Pegel von einem Ende des Busses bis zum anderen und im Arbitrierungsfall wieder zurück gelangen, damit alle Teilnehmer dosen Buszustand sehen. Je höher die Bitrate, desto kürzer ist die Zeit pro Bit — und desto kürzer darf die Leitung sein.

Die Laufzeit auf der Leitung lässt sich grob abschätzen:

Als praktische Orientierung haben sich folgende Richtwerte etabliert (gerundete Erfahrungswerte, keine exakten Grenzen):

Wichtig dabei: Diese Längen ergeben sich nicht aus der Leitung allein. Auch die internen Laufzeiten von CAN-Controller und Transceiver sowie die Busankopplung gehen in das Zeitbudget pro Bit ein. Werden sie übersehen, kann es trotz formal passender Leitungslänge zu sporadischen, schwer auffindbaren Bitfehlern kommen. Deshalb sind die Tabellenwerte als konservative Richtwerte zu verstehen.

Die Faustregel: Wer eine lange Leitung braucht, muss mit der Bitrate heruntergehen — und umgekehrt. Stichleitungen bleiben dabei immer so kurz wie möglich, weil auch sie Reflexionen verursachen können.

Daten werden bei CAN in Botschaften (Frames) übertragen. Ein Datenframe enthält im Wesentlichen:

• einen Identifier, der die Botschaft kennzeichnet und zugleich ihre Priorität bestimmt
• einige Steuerbits, unter anderem die Angabe, wie viele Datenbytes folgen
• bis zu 8 Datenbytes Nutzdaten
• eine CRC-Prüfsumme zur Fehlererkennung
• ein Bestätigungsbit (ACK), mit dem empfangende Teilnehmer den korrekten Empfang quittieren

Wichtig: Der Identifier ist keine Geräteadresse, sondern eine Kennung der Botschaft selbst. Jeder Teilnehmer entscheidet anhand des Identifiers, ob ihn diese Nachricht interessiert. Es gibt den Standard-Frame mit 11-Bit-Identifier und den Extended-Frame mit 29-Bit-Identifier — letzterer bietet deutlich mehr Kennungen, ist aber etwas länger.

Buszugriff: alle dürfen, keiner kollidiert zerstörend

CAN kennt keinen zentralen Master, der den Teilnehmern das Senden zuteilt. Jeder Teilnehmer darf senden, sobald der Bus frei ist — das ist das Multi-Master-Prinzip. Was passiert aber, wenn zwei Teilnehmer gleichzeitig loslegen?

Hier greift die Arbitrierung — die Aushandlung des Buszugriffs Bit für Bit. Während des Sendens hört jeder Teilnehmer gleichzeitig auf dem Bus mit und vergleicht, ob das, was auf dem Bus tatsächlich anliegt, mit dem übereinstimmt, was er selbst gerade sendet. Verglichen wird Bit für Bit, beginnend mit dem Identifier.

Der entscheidende Punkt ist elektrotechnisch: Ein dominantes Bit (0) überschreibt ein rezessives Bit (1). Der Bus verhält sich dabei wie eine UND-Verknüpfung — dieses Wired-AND-Verhalten bedeutet, dass der Bus dominant ist, sobald auch nur ein einziger Teilnehmer dominant treibt, egal wie viele andere rezessiv lassen. Das liegt an der Verschaltung der Sendestufen: Rezessiv heißt „nicht aktiv treiben“, dominant heißt „aktiv auf 0 ziehen“. Wer aktiv zieht, gewinnt gegen den, der nur lässt.

Daraus folgt das ganze Verfahren: Sendet ein Teilnehmer ein rezessives Bit (1), sieht aber auf dem Bus ein dominantes (0), weiß er, dass ein anderer mit höherer Priorität sendet. Er zieht sich sofort zurück und wird zum Empfänger — ohne dass eine Botschaft zerstört wird. Der Teilnehmer mit dem niedrigeren Identifier setzt sich durch, weil eine 0 an früherer Stelle den Bus dominant zieht. Niedriger Identifier bedeutet also höhere Priorität.

CAN sorgt zuverlässig dafür, dass Datenbytes heil von einem Teilnehmer zu den anderen kommen. Was diese Bytes bedeuten, lässt der Standard offen. Ein Antrieb von Hersteller A und ein Sensor von Hersteller B könnten beide CAN sprechen und sich trotzdem nicht verstehen — so wie zwei Menschen, die zwar dasselbe Telefon benutzen, aber unterschiedliche Sprachen sprechen.

CANopen is eine solche gemeinsame Sprache. Es ist ein auf CAN aufgesetztes Protokoll, das festlegt, wie Geräte ihre Daten organisieren, wie sie angesprochen werden und wie der Datenaustausch abläuft. Damit lassen sich Geräte verschiedener Hersteller in einem Netz kombinieren.

Das Objektverzeichnis

Das Herzstück jedes CANopen-Geräts ist das Objektverzeichnis. Man kann es sich als geordnete Tabelle aller Daten und Einstellungen eines Geräts vorstellen: Messwerte, Sollwerte, Parameter, Statusinformationen. Jeder Eintrag hat eine feste Adresse aus Index (vierstellig hexadezimal, z. B. 0x6041) und bei Bedarf einem Subindex.

Bestimmte Indexbereiche sind genormt — etwa der Bereich für Kommunikationsparameter. Dadurch weiß ein Master von vornherein, an welcher Stelle er bei jedem normgerechten Gerät bestimmte Informationen findet. Will man von einem Gerät einen Wert lesen oder einen Parameter setzen, spricht man genau diesen Index/Subindex an.

Geräteprofile, EDS-Datei und Node-ID

Damit sich gleichartige Geräte einheitlich verhalten, gibt es Geräteprofile — etwa für Antriebe oder Ein-/Ausgabemodule. Sie legen fest, an welchen Indizes typische Funktionen liegen.

Zu jedem Gerät liefert der Hersteller eine EDS-Datei (Electronic Data Sheet). Sie beschreibt das Objektverzeichnis des Geräts maschinenlesbar, sodass ein Engineering-Werkzeug die verfügbaren Objekte kennt, ohne dass man sie von Hand eintippt.

Schließlich braucht jeder Teilnehmer eine eindeutige Node-ID (Knotennummer). Sie unterscheidet die Geräte im Netz und geht in die Identifier der Botschaften ein. Zwei Geräte mit derselben Node-ID im selben Netz sind ein klassischer Inbetriebnahmefehler — dazu mehr in Kapitel 6.

Wenn ein CANopen-Netz arbeitet, laufen verschiedene Arten von Botschaften über den Bus. Die wichtigsten für die Praxis:

• PDO (Process Data Object): der schnelle Austausch von Prozessdaten im laufenden Betrieb — etwa Istwerte und Sollwerte. PDOs sind kurz und werden ohne großen Verwaltungsaufwand verschickt, oft ereignis- oder zeitgesteuert.
• SDO (Service Data Object): der gezielte Zugriff auf das Objektverzeichnis, um einzelne Parameter zu lesen oder zu schreiben. SDOs nutzt man vor allem bei Konfiguration und Inbetriebnahme, sie sind langsamer, aber gesichert.
• EMCY (Emergency Object): die Störungsmeldung. Erkennt ein Gerät einen internen Fehler — etwa einen Sensorabriss, Übertemperatur oder einen Spannungsfehler — sendet es ein EMCY-Telegramm mit einem Fehlercode. Für die Fehlersuche ist das oft der erste Hinweis, was im Gerät schiefläuft.

Daneben gibt es das SYNC-Objekt, ein vom Netz ausgesendetes Taktsignal, mit dem mehrere Geräte ihre Aktionen synchron ausführen können — etwa mehrere Achsen, die gemeinsam einen Wert übernehmen.

Die NMT-Zustandsmaschine

Wie sich ein CANopen-Gerät verhält, hängt von seinem Betriebszustand ab. Das NMT (Network Management) steuert diese Zustände:

• Pre-Operational: Das Gerät ist hochgelaufen und über SDO erreichbar — man kann es konfigurieren, aber es tauscht noch keine Prozessdaten aus.
• Operational: Der volle Betrieb. Jetzt laufen auch die PDOs, das Gerät arbeitet im Prozess mit.
• Stopped: Das Gerät ist weitgehend stillgelegt und reagiert nur noch auf grundlegende Netzwerkkommandos.

Nach dem Einschalten geht ein Gerät selbsttätig in Pre-Operational. Von dort schaltet ein NMT-Kommando es nach Operational — erst dann fließen Prozessdaten.

Überwachung: Heartbeat und Node Guarding

Damit der Ausfall eines Teilnehmers auffällt, überwacht sich ein CANopen-Netz selbst. Beim Heartbeat sendet jedes Gerät regelmäßig ein Lebenszeichen; bleibt es aus, gilt der Knoten als gestört. Das ältere Node Guarding arbeitet umgekehrt mit Abfragen durch den Master. In beiden Fällen ist das Ziel dasselbe: einen ausgefallenen oder abgehängten Teilnehmer schnell erkennen.

Ein CAN-Netz läuft entweder zuverlässig oder macht durch sporadische, schwer greifbare Fehler Ärger. Die gute Nachricht: Die meisten Probleme lassen sich auf wenige typische Ursachen zurückführen.

Häufige Fehlerquellen

• Fehlende oder falsche Abschlusswiderstände: Fehlt ein 120-Ω-Abschluss oder sitzt ein dritter mitten im Netz, kommt es zu Reflexionen und sporadischen Fehlern.
• Unterschiedliche Bitraten: Stellt ein Teilnehmer eine andere Bitrate ein als der Rest, kann er nicht teilnehmen und stört unter Umständen das ganze Netz.
• Doppelte Node-ID: Zwei Geräte mit derselben Knotennummer führen zu widersprüchlichen Botschaften und Fehlern.
• CAN_H und CAN_L vertauscht: Eine an einem Teilnehmer verdrehte Verdrahtung verhindert die korrekte Differenzauswertung.

Messen mit dem Multimeter

Der einfachste und wirksamste erste Test: Bus spannungsfrei schalten und den Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L messen. Bei einem korrekt terminierten Netz mit zwei 120-Ω-Abschlüssen ergibt das rund 60 Ω.

• Etwa 60 Ω: Terminierung in Ordnung.
• Etwa 120 Ω: Nur ein Abschluss wirksam — einer fehlt oder ist unterbrochen.
• Sehr hoher Wert: Leitungsunterbrechung oder kein Abschluss.
• Deutlich unter 60 Ω: Zu viele Abschlusswiderstände oder ein Kurzschluss.

Diese eine Messung deckt einen großen Teil der Verdrahtungs- und Terminierungsfehler auf, bevor man überhaupt ein Diagnosewerkzeug anschließt.

Error Frames und Bus-Off

CAN erkennt Übertragungsfehler selbst. Stellt ein Teilnehmer einen Fehler fest, sendet er einen Error Frame, der die fehlerhafte Botschaft für alle ungültig macht — die Botschaft wird anschließend wiederholt. Jeder Knoten führt interne Fehlerzähler. Häufen sich die Fehler bei einem Teilnehmer über ein bestimmtes Maß, schaltet er sich selbst vom Bus ab. Dieser Zustand heißt Bus-Off. Ein Gerät, das immer wieder in Bus-Off geht, ist ein deutlicher Hinweis auf ein hocheffektives Hardware- oder Verdrahtungsproblem an genau dieser Stelle.

Diagnose-Vorgehen

Bewährt hat sich eine feste Reihenfolge: erst die Verdrahtung sichtprüfen (CAN_H/CAN_L, Schirmung), dann spannungsfrei die 60 Ω messen, anschließend Bitrate und Node-IDs aller Teilnehmer abgleichen und zuletzt mit einem Diagnosewerkzeug die Botschaften und eventuelle EMCY-Meldungen mitlesen. Vom Einfachen zum Aufwändigen — das spart Zeit.