In modernen Automotive-Testumgebungen – vom End-of-Line-Test bis hin zu komplexen Systemtests – stehen Ingenieure häufig vor der Herausforderung, große Distanzen zwischen Steuergeräten (ECUs), Messgalgen und Messtechnik zu überbrücken. In klassischen CAN-Netzwerken war das in vielen Anwendungsfällen möglich. Mit CAN FD sind zwar höhere Datenraten möglich, aber es gibt auch eine schnellere Taktung und somit eine deutliche Reduzierung der Distanz. Ohne geeignete technische Maßnahmen führen diese zu Störungen in der Kommunikation, Fehltelegrammen und auch zu instabilen Systemen. 

Bild 1: Problemstellung – Messtechnik und DUT sind räumlich voneinander getrennt. 

In einer Automotive-Testumgebung werden Steuergeräte (ECUs) über Messgalgen mit der Prüfstandsautomatisierung und der Messtechnik verbunden. Im hier betrachteten Szenario umfasst der Messgalgen vier CAN-FD-Kanäle, die meist mit mindestens 500 kBit/s Arbitrierungsrate und 2.000 kBit/s flexibler Datenrate (FD) betrieben werden. Es gibt aber auch Anwendungen mit einer Arbitrierungsrate von 1.000 kBit/s und flexiblen Datenraten von bis zu 5.000 kBit/s gearbeitet wird. Die Distanzen zwischen Messgalgen und Messtechnikschrank betragen oft mehr als zehn Meter. Hinzu kommen EMV-Einflüsse in der Messumgebung durch Inverter, E-Motoren oder Frequenzumrichter. Ohne geeignete Maßnahmen führen größere Distanzen zu Signalverzerrungen, Dämpfungen oder Reflexionen auf dem CAN-Bus, was zu Störungen oder sporadischen Fehlern bis hin zu einem Stillstand führen kann. Selbst bei der Abnahme von Systemen wird die Signalgüte im CAN-Bus oftmals nicht gemessen. Somit liegen auch keine Informationen über den Störabstand vor. Es ist daher immer empfehlenswert, die Signalgüte zu messen und für spätere Vergleiche zu dokumentieren.

Bild 2: Störungsbilder bei der CAN-Signalübertragung über größere Distanzen.

Die Herausforderung besteht also darin, diese CAN-FD-Verbindungen über die gesamte Strecke mit geringer Latenz zu übertragen – und das ohne Einbußen in Signalqualität oder Performance, bei gleichzeitig sicherer galvanischer Trennung und hoher Verfügbarkeit im Testbetrieb. HMS Networks hat fünf ausgereifte Lösungsansätze entwickelt, die es ermöglichen, den CAN-Bus über deutlich größere Strecken zu betreiben.

Weg 1: CAN FD-Stabilität durch 2 Automotive Gateways

Die erste Variante basiert auf dem CANnector L, einem multifunktionalen Automotive-Gateway, das neben der klassischen Busankopplung auch eine integrierte Reichweitenverlängerung bietet. Dabei wird je ein CANnector L an beiden Enden der Teststrecke platziert – einer am Messgalgen und einer an der Prüfstandsautomatisierung/Messtechnikseite. Eine Hutschienenmontage im Schaltschrank ist möglich, aber auch Anwendungsfelder mit mobilem Einsatz. Jeder CANnector L unterstützt bis zu vier CAN/FD-Kanäle, sodass in der Gesamtkonfiguration vier Kanäle über eine verlustarme Ethernet-Verbindung übertragen werden. Durch die galvanische Trennung vom CAN-Bus werden Störeinflüsse minimiert, und gleichzeitig stehen Zusatzfunktionen wie Datenlogging, Restbussimulation und Analyseoptionen zur Verfügung. Es können in den Geräten zusätzliche Filter eingestellt sowie DBC/ARXML-Daten geladen werden, was flexible Datenströme von und zum Automatisierungssystem ermöglicht. Es besteht die Möglichkeit, den Datenstrom oder ein Teil davon an weitere Geräte zu verteilen, über die sich der Calibration- und Diagnose-Ingenieur mit seinen Tools ankoppeln kann, ohne das Gesamtsystem zu stören.

Mit der Verlagerung der Restbussimulation auf die Geräte am Messgalgen ist zudem eine Echtzeitfähige Simulation inkl. Matlab/Simulink direkt am Steuergerät möglich und somit losgelöst und unabhängig von der eingesetzten Automatisierungslösung. Insgesamt muss das Gesamtsystem und die gesamte Anwendung betrachtet werden in Bezug auf Datenrate, Anzahl der Busse, Systemeigenschaften, Umfeld und Erweiterungsmöglichkeiten.

Wer mehr Rechenperformance benötigt oder bis zu 8 CAN-FD Kanäle oder andere Bus-Systeme wie FlexRay, LIN, Automotive Ethernet benötigt kann auch die Produktserie Mobilizer von HMS einsetzen.

Bild 3: Darstellung des Weg 1 – Überbrückung der Distanz und Anbindung des DUT an die Messtechnik mittels zwei CANnector-Geräten.

Weg 2: Vierfache Gateway-Power für hohe CAN FD-Netzwerkqualität

Der zweite Lösungsansatz nutzt das CAN@net NT420 oder das PCAN-Ethernet Gateway FD DR, ein speziell für die Ethernet-zu-CAN-Brücke entwickeltes Gateway in kompakter Bauform. Für die Umsetzung einer kompletten Teststrecke werden pro Messgalgen-Seite zwei dieser Geräte eingesetzt. Die Übertragung erfolgt wie beim CANnector L über eine Ethernet-Tunnelung, entweder per TCP/IP oder UDP, wodurch die Kommunikation zwischen den Endpunkten transparent und mit minimaler Latenz erfolgt. Diese Lösung ist besonders kosteneffizient und eignet sich vor allem für fest installierte Testumgebungen, in denen die Kanalanzahl genau definiert ist und keine erweiterten Funktionsmodule benötigt werden.

Bild 4: Darstellung des Weg 2 – Distanzüberbrückung durch Einsatz von vier CAN@net NT-Geräten.

Weg 3: Kombination aus Automotive Gateway und CAN@net NT420

Die dritte Variante kombiniert die Stärken beider vorherigen Ansätze in einer hybriden Architektur. Auf der Master-Seite kommt ein leistungsfähiger CANnector L zum Einsatz, der die Verbindung zum Testsystem herstellt und gleichzeitig zusätzliche Funktionen wie Restbussimulation oder Logging bereitstellt. Auf der Gegenseite werden mehrere CAN@net NT420-Geräte als Slaves eingesetzt, um die Signale über Ethernet zu verteilen und die physische Distanz zu überbrücken. In einer typischen Konfiguration umfasst dieses Setup einen CANnector L und mehrere  CAN@net NT420. Diese Lösung eignet sich besonders für große Prüfstände in denen Daten an verschiedene Stellen verteilt werden müssen, z. B. zur Anbindung an die Messtechnik, die Leitwarte oder Diagnosesysteme.

Bild 5: Darstellung des Weg 3 – Distanzüberbrückung mittels hybrider Architektur, geeignet für die Anbindung mehrerer entfernter Messplätze und Kontrollsysteme an den Prüfling.

Weg 4: Erweiterte Kombination mit verteilter CANnector-Struktur

Der vierte Lösungsweg basiert ebenfalls auf einer Kombination von CANnector L und CAN@net NT420, unterscheidet sich jedoch in der Rollenverteilung und dem Einsatzbereich.

Die Daten mehrerer identischer Prüflinge werden durch die CAN@net-Gateways mit einem ID-Offset versehen, der individuell für jedes DUT festgelegt ist. Dadurch können die Daten gemeinsam über einen Kanal übertragen werden, da jede Nachricht eindeutig einem DUT zugeordnet werden kann. Die Konfiguration wird über ein kostenfreies, komfortables Engineering Konfigurationstool ACT umgesetzt, welches auch DBC und ARXML Dateien unterstützt.

Im Schaltschrank kommt der CANnector zum Einsatz, der über eine große Anzahl von CAN- und CAN-FD-Schnittstellen verfügt. Dieser teilt den über Ethernet empfangenen Datenstrom wieder auf und gibt die Daten entsprechend dem ID-Offset getrennt nach DUT über seine CAN- oder CAN-FD-Kanäle aus. Somit können die verschiedenen CAN- oder CAN-FD-Schnittstellen für jedes DUT separat an die Messtechnik angebunden werden.

Bild 6: Darstellung des Weg 4 – Distanzüberbrückung mittels hybrider Architektur zur Anbindung mehrerer identischer Prüflinge an eine zentrale Messtechnik-Hardware. Ein ID-Offset via CAN@net ermöglicht die Übertragung über einen gemeinsamen Kanal sowie die eindeutige Zuordnung der Daten in der Messtechnik.

Weg 5: Effiziente und kostengünstige UDP-Datenübertragung für einfache Systemstrukturen

Als letzte Möglichkeit bietet HMS eine 1-kanalige CAN FD low-budget Lösung. Zwei CAN@net basic Geräte werden via UDP verbunden und auch hier können bidirektional Daten austauscht werden. Gerade dort, wo ein dediziertes Ethernet Netzwerk verwendet wird, kann man in der Regel mit dem Nachteil einer UDP basierten Kommunikation leben. UDP bietet hier den Vorteil des deutlich geringeren Protokolloverheads im Vergleich zu TCP/IP. Dadurch wird eine sehr geringe Latenz von durchschnittlich 0,3 ms (300 ns) und einem Jitter kleiner von 0,2 ms (200 ns) natürlich abhängig vom Gesamtsystem, Bus-Last, etc. erreicht.

Bild 7: Darstellung des Weg 5 – CAN FD low-budget Lösung bestehend aus zwei CAN@net basic Geräten, die via UDP verbunden sind.

Technischer Vergleich der fünf Lösungen
 

Fazit

Je nach Testumgebung, Budget und Funktionsanforderungen bietet HMS Networks maßgeschneiderte Lösungen für die CAN/CAN FD-Bus-Reichweitenverlängerung. Vom vollausgestatteten CANnector L über das kompakte CAN@net NT420 bis hin zu hybriden Architekturen bleibt so die Systemstabilität erhalten, die Latenz minimal und der Testaufbau flexibel sowie zukunftssicher. Damit positioniert sich HMS Networks als kompetenter Partner für Ingenieure, die eine zuverlässige und leistungsstarke Infrastruktur für Automotive-Testing Umgebungen benötigen.

Weitere Informationen zu den eingesetzten Geräten

• Produktseite des CANnector L
• Produktseite des Mobilizer
• Produktseite des CAN@net NT420
• Produktseite des CAN@net basic