Klassische Bus/Linien-Topologie
Der Controller Area Network (CAN) High-Speed-Standard spezifiziert die CAN-Topologie als einfachen Bus (Linie) mit den Signalleitungen CAN-High und CAN-Low, welche an beiden Enden mit einem 120 Ohm Abschlusswiderstand terminiert werden.
Bei der maximal möglichen Bitrate von 1 Mbit/s ist eine Leitungslänge von maximal 40 m realisierbar, Stichleitungen sollten, wenn möglich, vermieden werden, da die Signalreflektionen sich auf die Signalqualität auswirken. Für den Anschluss von Teilnehmern sind diese jedoch mit einer Länge von maximal 30 cm tolerierbar.
Grundlegender Aufbau des CAN-Bus, mit CAN-High- (CAN_H) und CAN-Low-Signalleitung (CAN_L) sowie Terminierung an beiden Enden.
Bedingt durch die Bus-Topologie können je nach räumlicher Situation schnell große Leitungslängen erreicht werden. Im folgenden Beispiel wird ein CAN-Bussystem gezeigt, bei dem durch das Durchschleifen des Busses zu allen Teilnehmern eine Buslänge von 330 Metern erreicht wird. Bei einem System mit dieser Länge wäre die maximale Bitrate 125 kBit/s.
Herkömmliche Verdrahtung der CAN-Teilnehmer entsprechend der Bus/Linien-CAN-Topologie
Höhere Flexibilität durch Baum/Stern-CAN-Topologie
Mit Hilfe von Repeatern ist es möglich, die einfache Linentopologie von CAN zu erweitern und eine an die geographischen Randbedingungen optimal angepasste Baum/Stern-CAN-Topologien zu realisieren. Der Repeater stellt eine physikalische Kopplung zwischen zwei gleichen Bussystemen bereit, über ihn werden Signale regeneriert und in das jeweilige andere Segment transparent weitergegeben. Ein Repeater teilt somit einen Bus in zwei physikalisch voneinander unabhängige Segmente. Signaltechnisch entspricht er einer, seiner Verzögerungszeit entsprechend langen Leitung.
Durch eine geschickte Anordnung der Repeater und eine hierdurch erreichte optimierte Leitungsführung, kann die relevante Länge des Bus-Systems, also der Abstand zwischen den am weitesten entfernten Teilnehmern, reduziert werden. Im nachfolgenden Beispiel ist, auch unter Berücksichtigung der durch den Repeater erzeugten Signalverzögerung (entsprechend einer Leitungslänge von 50 m), die weiteste Entfernung zwischen den Teilnehmern 170 m. Durch den Einsatz von Repeatern wurde die Leitungslänge somit erheblich reduziert, wodurch das System mit einer Bitrate von bis zu 250 kbit/s betrieben werden kann und eine Verbesserung der Signalqualität erreicht wird.
Optimierung des Systems durch Einsatz von CAN-Repeatern
Maximal flexibel mit Bridges und Gateways
CAN-Bridges haben eine Speicherfunktion und leiten Nachrichten oder Teile von Nachrichten in einer unabhängigen, zeitverschobenen Übertragung weiter (Store-and-Forward-Prinzip). Sie unterscheiden sich von Repeatern durch das Speichern und Weiterleiten von Nachrichten oder Teilen von Nachrichten, wogegen Repeater elektrische Signale in das andere Segment übertragen.
Durch Integration von Filterfunktionen ist z. B. auch eine organisatorische Strukturierung eines Netzes möglich, indem nur solche Nachrichten von einem Netzsegment zu einem anderen weitergegeben werden, die für dieses von Interesse sind. Auf diese Weise kann z. B. die Busbelastung von Segmenten reduziert werden.
Da durch Einsatz einer Bridge das CAN-Netzwerk in zwei voneinander signaltechnisch unabhängige Systeme unterteilt wird, kann die Systemausdehnung einfach erweitert werden.
Über CAN-Gateways können Netzwerke unterschiedlicher Protokolle miteinander verbunden werden. Eine Gateway-Applikation übernimmt hierbei die Übersetzung von Protokoll- Dateneinheiten in das jeweilige andere Kommunikationssystem. Die Protokollebene, auf der die Protokollumsetzung stattfindet, kennzeichnet das Gateway.
Der Einsatz von Gateways erlaubt sowohl die Kopplung eines CAN-basierten Systems mit anderen Feldbussen als auch die Kopplung zweier CAN-basierter Systeme über einen transparenten TCP/IP-Tunnel. Hierdurch können weit entfernte CAN-Systeme miteinander gekoppelt werden oder es können unterschiedlichste Feldbusse miteinander verbunden werden, um diese z. B. an eine übergeordnete Steuerung anzubinden.
Einsatz einer CAN-Bridge zur Anbindung eines CAN-Segmentes mit niedrigerer Bitrate sowie Anbindung an ein entferntes CAN-System mittels CAN-Ethernet-CAN-Gateway und transparenter Datenübertragung über TCP/IP.
Zusammenfassung
Die Entwicklung von der traditionellen Bus/Linien-CAN-Topologie hin zu fortgeschrittenen Baum/Stern-Topologien und der Einsatz von Technologien wie Repeatern, Bridges und Gateways stellt eine signifikante Evolution in der Gestaltung und Funktionalität von CAN-Netzwerken dar. Diese ermöglichen es, längere Distanzen zu überbrücken, höhere Datenübertragungsraten zu erreichen und die Integration unterschiedlicher Kommunikationssysteme zu erleichtern. Dadurch wird die Effizienz, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit von CAN-basierten Systemen in verschiedenen Einsatzbereichen deutlich gesteigert.