Physikalische Diagnose von CAN-Netzwerken

Steigende Datenraten stellen CAN-Netzwerke vor neue Herausforderungen: Nicht nur die Protokollebene zählt, auch die physikalische Signalqualität entscheidet über die Zuverlässigkeit. Wie sich diese beurteilen lässt und welche Möglichkeiten der CAN-Bus Tester GT3 bietet.

Der Controller Area Network (CAN)-Bus ist seit Jahrzehnten ein etabliertes Kommunikationssystem in Fahrzeugen, mobilen Maschinen und industriellen Anwendungen. Mit zunehmender Vernetzung und steigenden Datenraten – insbesondere durch CAN-FD – steigen jedoch auch die Anforderungen an die physikalische Qualität der Signalübertragung.

Klassische Diagnoseverfahren betrachten vor allem die Protokollebene und analysieren Telegramme, Fehlerzähler oder Buslast. Diese Informationen zeigen, wie sich die Kommunikation verhält, geben aber nur begrenzt Auskunft über den Zustand der elektrischen Übertragung. Gerade bei modernen CAN-FD-Netzwerken können physikalische Beeinträchtigungen auftreten, bevor ein eindeutiger Protokollfehler sichtbar wird.

Wenn die Signalqualität zum limitierenden Faktor wird

Der CAN-Bus überträgt Informationen differentiell über die beiden Leitungen CAN_H und CAN_L. Dieses Prinzip sorgt grundsätzlich für eine hohe Störsicherheit. Gleichzeitig muss die Verkabelung bestimmte elektrische Eigenschaften erfüllen.

Dazu gehört insbesondere eine korrekte Terminierung des Busses. CAN-Leitungen besitzen typischerweise einen Wellenwiderstand von 120 Ω und werden an beiden Enden mit jeweils 120 Ω abgeschlossen. Fehler bei der Terminierung, ungeeignete Leitungslängen, zu lange Stichleitungen oder Impedanzsprünge können Reflexionen verursachen.

Diese zeigen sich beispielsweise als Überschwingen, Ringing oder verzerrte Signalflanken. Bei klassischen CAN-Netzwerken können solche Effekte unter Umständen noch innerhalb ausreichender Toleranzen liegen. Mit steigender Datenrate werden die Reserven jedoch kleiner.

CAN-FD verschärft die Anforderungen

Mit CAN-FD verkürzen sich insbesondere in der Datenphase die Bitzeiten deutlich. Dadurch stehen für die sichere Erkennung eines Signals geringere zeitliche Toleranzen zur Verfügung. Effekte, die bei niedrigeren Datenraten noch unkritisch waren, können dadurch relevant werden.

Für die Signalqualität spielen unter anderem folgende Faktoren eine Rolle:

• Flankensteilheit der Signalübergänge
• Signallaufzeiten
• Jitter und zeitliche Signalvariation
• Reflexionen und Ringing
• elektromagnetische Störeinflüsse
• Signal-Rausch-Abstand

Schon geringe Abweichungen können den Abtastzeitpunkt des Empfängers beeinflussen. Die Folge können Bitfehler oder verringerte Störabstände sein – teilweise ohne unmittelbar erkennbare Fehler auf der Protokollebene.

Für die Diagnose bedeutet das: Wer nur die übertragenen Telegramme betrachtet, erhält unter Umständen ein unvollständiges Bild vom tatsächlichen Zustand des Netzwerks.

Physikalische Diagnose ergänzt die Protokollanalyse

Eine umfassende CAN-Diagnose muss deshalb beide Ebenen berücksichtigen. Neben Fehlerzählern und Statusinformationen sind auch physikalische Parameter wie Signalamplitude, Anstiegs- und Abfallzeiten, Überschwingen, Jitter und Terminierungswiderstand relevant.

Die Herausforderung liegt allerdings in der Interpretation dieser Messwerte. Einzelne Parameter lassen sich zwar messen, ihre Bedeutung für die Gesamtqualität des Netzwerks ist aber nicht immer unmittelbar erkennbar. Hier können aggregierte Signalqualitätskennwerte helfen.

Ein Kennwert für die Signalqualität

Bei einem solchen Verfahren werden verschiedene physikalische Messgrößen normiert und gewichtet und zu einem gemeinsamen Signalqualitätswert zusammengeführt. Dieser kann beispielsweise als Prozentwert dargestellt werden und gibt eine schnelle Einschätzung darüber, wie weit die Signalübertragung innerhalb der definierten Grenzen liegt.

Der Vorteil: Komplexe Messdaten werden auf eine verständliche Kenngröße reduziert, ohne dass die zugrunde liegenden Informationen verloren gehen. Bei einer Auffälligkeit können die einzelnen Messparameter anschließend gezielt betrachtet werden.

Damit entsteht eine Art „Gesundheitscheck“ für das CAN-Netzwerk: Der Kennwert liefert einen schnellen Überblick, während die Detailmessungen bei Bedarf Hinweise auf die konkrete Ursache geben.

Praxisbeispiel: CAN-Bus Tester GT3

Das Messsystem erfasst sowohl die Kommunikation als auch relevante physikalische Signalparameter und berechnet daraus einen Signalqualitätswert. So lässt sich auf einen Blick erkennen, ob sich das Netzwerk innerhalb der erwarteten Grenzen bewegt.

Der GT3 unterstützt neben klassischen CAN-Netzwerken auch CAN-FD. Ein besonderer Vorteil für die physikalische Diagnose ist der abgesetzte Messkopf: Die Messung erfolgt direkt am CAN-Bus, während das Bediengerät flexibel positioniert werden kann. Dadurch lassen sich auch schwer zugängliche Messstellen in mobilen Maschinen komfortabler untersuchen.

Gerade bei der Fehlersuche in komplexen oder räumlich weitläufigen CAN-Netzwerken bietet die Trennung von Messkopf und Bediengerät praktische Vorteile. Der Messkopf kann dort angesetzt werden, wo das Signal tatsächlich geprüft werden soll, ohne dass das gesamte Bediengerät an der Messstelle positioniert werden muss.

Auffälligkeiten können direkt am Bus untersucht und mit der gleichzeitig erfassten Kommunikation in Zusammenhang gebracht werden. Das erleichtert insbesondere die Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche in komplex aufgebauten Netzwerken.

Mehr Transparenz bei der Diagnose

Für mobile Maschinen und andere vernetzte Systeme bedeutet die zunehmende Verbreitung von CAN-FD nicht nur höhere Übertragungsgeschwindigkeiten. Auch die Anforderungen an Verkabelung, Signalqualität und elektromagnetische Verträglichkeit steigen.

Je länger die Leitungswege, je größer die Anzahl der Steuergeräte und je höher die Datenrate, desto wichtiger wird es, nicht nur zu prüfen, ob Daten übertragen werden, sondern auch wie gut die Übertragung physikalisch funktioniert.

Dabei spielt auch die praktische Zugänglichkeit der Messung eine Rolle. Der abgesetzte Messkopf des GT3 ermöglicht Messungen direkt am relevanten Punkt des Netzwerks und erleichtert damit die Untersuchung von Signalqualität und möglichen Störstellen.

Die Kombination aus Protokoll- und physikalischer Diagnose schafft dafür die notwendige Transparenz. Probleme können frühzeitig erkannt und Ursachen gezielter eingegrenzt werden – bevor aus reduzierten Signalreserven ein tatsächlicher Kommunikationsfehler entsteht.

Fazit

Die physikalische Signalintegrität ist ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit moderner CAN- und CAN-FD-Netzwerke. Mit steigenden Datenraten reichen klassische Diagnosemethoden allein nicht immer aus, um den tatsächlichen Zustand eines Bussystems zu beurteilen.

Die Kombination aus Protokollanalyse, physikalischer Messung und einem verständlichen Signalqualitätskennwert ermöglicht eine ganzheitlichere Bewertung. Für Anwender entsteht damit ein schnellerer Zugang zu komplexen Messdaten und eine bessere Grundlage für Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche.

Der CAN-Bus Tester GT3 verbindet diese Ansätze in einem praxisorientierten Diagnosewerkzeug und unterstützt damit die zuverlässige Analyse moderner CAN- und CAN-FD-Netzwerke.

Bilder: GEMAC Chemnitz GmbH

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