CAN-Signale kontaktlos überwachen

"Überklemm"-Sensoren vereinfachen Tests am CAN-Bus

Elektronik im Fahrzeug spielt eine enorm wichtige Rolle, und das schon lange vor dem Siegeszug der E-Mobilität. Oft sind in modernen Fahrzeugen zwischen hundert und zweihundert Steuergeräte aktiv, die miteinander vernetzt werden müssen, um kommunizieren zu können. Sie steuern Motoren und Getriebe, überwachen Sensoren für Reifendruck und ABS, regeln die Geschwindigkeit, das Fernlicht, kontrollieren die Rückfahrkamera und Abstandssensoren bis hin zur Infotainment-Elektronik im PKW. Bei Nutzfahrzeugen, landwirtschaftlichen Maschinen, Schiffen und Schienenfahrzeugen sind zudem noch viele weitere, zum Teil sehr spezielle Komponenten relevant.

Eine Kommunikation über Einzelleitungen oder Kabelbäume würde mehrere Kilometer an Kabeln erfordern. Diese wären unübersichtlich, fehleranfällig und dabei schwierig zu warten, würden das Fahrzeuggewicht unnötig erhöhen und wären zudem auch teuer von den Materialkosten her. Daher werden stattdessen Bussysteme eingesetzt, darunter zum Beispiel CAN (Controller Area Network). Diese verbinden die Komponenten wie Motorsteuerung, Getriebe, ESP, ABS etc. miteinander. Der CAN-Bus, der von Bosch entwickelt wurde, zählt zu den sogenannten Feldbussen. Die Eigenschaften des CAN-Busses sind in der ISO 11898-1/2/3 definiert und können dort im Detail nachgelesen werden. Hier nur einige grobe Eckdaten: Die Datenübertragung erfolgt seriell über einen zweiadrigen Kabelstrang. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bis 1 Mbit/s (bzw. bei der Erweiterung CAN-FD auch mehr), wobei die tatsächlich erreichten Übertragungsgeschwindigkeiten von einigen Gegebenheiten wie zum Beispiel der Leitungslänge und Busauslastung abhängen. Teilnehmer am Bus erkennen über "Identifier" in den gesendeten Datenpaketen, ob die Daten für sie bestimmt sind. Der Identifier enthält Informationen über Priorität und Inhalt des Datenpaketes. Zudem kann der CAN-Bus fehlerhafte Übertragungen erkennen und wiederholen.

Bild 1 oben: a) Nicht-invasive Messung mit "Überklemm"-Sensoren (▸HIOKI SP7000) vs. b) invasive Messung durch Abisolieren der Signalleitungen vs. c) Verzweigungskabelbäume.

Informationen aus der CAN-Kommunikation liefern dem Techniker in der Fahrzeug-Entwicklung und Wartung wichtige Informationen zum Zustand des Systems mit Hilfe der erfassten Sensor- und Steuerdaten. Auch wenn Bus-Systeme wie CAN die Vernetzung der Komponenten wesentlich vereinfachen, hat deren Überwachung doch ihre Tücken. Üblicherweise erfordert die Erfassung von CAN-Signalen entweder das Abisolieren von Signalleitungen, damit Messfühler/Messspitzen in Kontakt mit den Leitern gebracht werden können, oder aber das Einfügen von Verzweigungskabelbäumen in Signalleitungen. Das Abisolieren der Drähte zur Herstellung des Kontakts bedeutet jedoch, dass die Leitungen unter Umständen durch die zerstörte Isolierung nicht mehr ausreichend zum Beispiel vor Feuchtigkeit geschützt sind. Die Verwendung von Verzweigungskabelbäumen hingegen macht die Vorbereitung der Prüfung zu einer zeitaufwändigen Angelegenheit und erlaubt auch nicht den schnellen Test irgendwo an der Leitung. Wünschenswert wäre also eine einfachere Lösung, am besten eine kontaktlose Erfassung an jeder beliebigen Stelle. Genau diesen Ansatz verfolgen die CAN-Sensoren der ▸HIOKI SP7000-Serie. Sie erlauben ein Erfassen der CAN-Daten durch "Überklemmen" eines Kabels auf die Isolierung, vergleichbar einem Stromtastkopf oder einer Stromzange bei der Strommessung. Das funktioniert meist auch bei wenig Platz und schlecht zugänglichen Stellen recht gut. Die Möglichkeit, CAN-Signale kontaktlos zu erfassen, reduziert den Arbeitsaufwand bei der Entwicklung und Auswertung, da das Abisolieren von Kabeln oder das Einsetzen von Verzweigungskabeln entfällt. Außerdem hat die Messung keine elektrischen Auswirkungen auf das zu prüfende Netzwerk. Der Techniker muss also nicht in Kauf nehmen, dass es aufgrund von Änderungen der elektrischen Eigenschaften zu Fehlfunktionen im Steuergerät kommen könnte, wie es bei den herkömmlichen Methoden der Fall sein kann.

Bild 2: Schematische Mess-Konfiguration mit ▸HIOKI SP7000 berührungslosen CAN-Sensoren

Da der CAN-Bus auch in weiteren Bereichen neben Automotive eingesetzt wird, kann dort mit den HIOKI-Sensoren ebenfalls die CAN-Bus-Analyse vereinfacht werden. Dazu zählen zum Beispiel medizinische Geräte oder Industrieroboter. Die Pinbelegung des CAN-Ausgangs folgt dem Industriestandard (9-polig Sub-D), so dass vorhandene CAN-Analyse-Systeme einfach weiter genutzt werden können. Wenn die CAN-Signalamplitude im Vergleich zum CAN-Standard niedrig ist oder aufgrund der Kabelbedingungen ein Signal nicht erkannt wird, können die Sensoren in einem Modus mit hoher Empfindlichkeit verwendet werden, um den Erfassungsbereich zu erweitern. Die kontaktlose Methode ist auch mit CAN FD-Hochgeschwindigkeitssignalen einsetzbar. Anders als bei der Kontaktmethode wird bei dieser Methode das ursprüngliche Signal beim Abtasten des CAN-Busses nicht verfälscht.

Zusammenfassung

Für das Monitoring von CAN-Signalen liefern drei Möglichkeiten gute Ergebnisse: 1. "Invasiv" durch Abisolieren der Leitungen, 2. relativ aufwändig durch Einfügen von Verzweigungskabelbäumen oder aber 3. kontaktlos und sehr komfortabel mit den HIOKI CAN-Sensoren. Insbesondere wenn häufig wechselnd verschiedene Leistungsstränge geprüft werden müssen, sind die Sensoren die wohl flexibelste und am einfachsten anzubringende Lösung.

Nach Unterlagen von HIOKI; Bilder mit freundlicher Genehmigung von HIOKI.