CAN vs. LIN vs. Automotive Ethernet: Unterschiede

Im Fahrzeug werden je nach benötigter Geschwindigkeit und Kosten mehrere Netzwerke nebeneinander eingesetzt. LIN ist ein günstiges Netzwerk mit einer Signalleitung und bis zu etwa 20 kbit/s, das Karosseriekomponenten wie Schalter und Motoren anbindet. CAN nutzt ein differenzielles Signal auf zwei Leitungen, ermöglicht priorisierte Kommunikation zwischen Steuergeräten (ECUs) und wird als zuverlässiges Netzwerk mit bis zu 1 Mbit/s (bei CAN FD im Datenteil einige Mbit/s) für die Steuerung von Motor, Bremsen usw. eingesetzt. Automotive Ethernet überträgt über ein verdrilltes Adernpaar 100 Mbit/s und mehr und übernimmt große Datenmengen etwa von Kameras sowie den Backbone, der die ECUs verbindet.

Merkmal	LIN	CAN	Automotive Ethernet
Maximale Datenrate (Richtwert)	Etwa 20 kbit/s	Klassisches CAN bis 1 Mbit/s (in der Praxis häufig 500 kbit/s). CAN FD im Datenteil einige Mbit/s	100 Mbit/s (100BASE-T1), 1 Gbit/s (1000BASE-T1). Es gibt auch schnellere Standards
Verkabelung	Eine Signalleitung und Masse	Differenzielles Signal auf einem verdrillten Leitungspaar (CAN_H und CAN_L). 120-Ω-Abschlusswiderstände an beiden Enden	Vollduplex über ein verdrilltes Adernpaar
Knotenstruktur	Ein Master und mehrere Slaves	Multi-Master-Bus mit gleichberechtigten Knoten	Stern- oder Baumtopologie mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen um Switches (es gibt auch einen Bus-Standard mit 10 Mbit/s)
Festlegung der Sendereihenfolge	Der Master sendet nach einem Zeitplan, die Slaves antworten auf die Anfragen des Masters	Arbitrierung über die ID. Je kleiner die ID, desto höher die Priorität; der gewinnende Frame wird nicht zerstört	Switches leiten weiter. Für Kommunikation, die innerhalb einer festen Zeit ankommen muss, verwaltet TSN Zeit und Bandbreite
Daten pro Übertragung	Bis zu 8 Byte	Klassisches CAN bis zu 8 Byte, CAN FD bis zu 64 Byte	Bis zu etwa 1.500 Byte pro Frame
Fehlererkennung	Prüfsumme	CRC, Empfangsbestätigung (ACK), Abschalten von Knoten abhängig von der Fehlerzahl	CRC. Wiederholungen usw. übernehmen höhere Protokolle
Kosten pro Knoten	Am günstigsten. Slaves kommen ohne Quarz aus	Mittel. Viele Fahrzeug-Mikrocontroller haben den Controller integriert	Eher hoch. PHY und Switch nötig, pro Bit aber günstig
Typische Anwendungen	Karosserie. Fensterheber, Spiegel, Sitze, Schalter, Scheibenwischer, Regensensoren usw.	Steuerung. Motor, Getriebe, Bremsen, Lenkung, Verbindung der Karosserie-ECUs, Fehlerdiagnose	Kamera- und Radardaten, Infotainment, Backbone zwischen ECUs, Software-Updates

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

LIN: Wenn Schalter, Motoren und Sensoren, bei denen keine Geschwindigkeit nötig ist und niedrige Kosten oberste Priorität haben, an ein nahes ECU angebunden werden. Wird als Subnetz von CAN eingesetzt.
CAN: Wenn Steuerungsdaten zuverlässig und nach Priorität ausgetauscht werden sollen. Wenn viele ECUs über einen Bus verbunden werden und störfeste Kommunikation nötig ist. Bei wachsender Datenmenge kommt CAN FD zum Einsatz.
Automotive Ethernet: Wenn eine Bandbreite von 100 Mbit/s oder mehr nötig ist, etwa für große Datenmengen von Kameras und Sensoren, Software-Updates oder den Backbone, der in einer Zonenarchitektur den Zentralrechner mit den Zonen-ECUs verbindet.

Häufige Fragen

Was passiert bei CAN, wenn zwei Knoten gleichzeitig zu senden beginnen?

Die Knoten überwachen beim Senden der ID-Bits den Buszustand; nur der Knoten mit dem Frame höherer Priorität (kleinerer ID-Wert) sendet weiter. Der unterlegene Knoten bricht ab und sendet später erneut, sodass der gewinnende Frame unbeschädigt ankommt. Man spricht von zerstörungsfreier Arbitrierung.

Warum ist LIN günstig?

Es genügt eine Signalleitung, und das Timing der Kommunikation bestimmt der Master, daher ist die Slave-Schaltung einfach. Da sich die Slaves mit dem vom Master gesendeten Synchronisationssignal auf den Takt abstimmen, können sie auch mit einem Oszillator ohne Quarz arbeiten.

Wie unterscheidet sich Automotive Ethernet vom gewöhnlichen Ethernet etwa im Büro?

Es kommuniziert vollduplex über nur ein verdrilltes Adernpaar, was die Verkabelung leicht und günstig macht. Zudem ist es für die starken Störungen und den weiten Temperaturbereich im Fahrzeug ausgelegt, und für Kommunikation, die innerhalb einer festen Zeit ankommen muss, verwalten TSN-Standards Zeit und Bandbreite.

Verschwinden CAN und LIN, wenn Automotive Ethernet zunimmt?

Nicht so bald. Für schnelle Backbones, Kameras usw. wird Ethernet verwendet, doch für Kommunikation mit kleinen Datenmengen, bei der Zuverlässigkeit zählt – etwa Schalter, Motoren und Steuerungsdaten –, werden die günstigen und bewährten Systeme CAN und LIN weiterhin eingesetzt.

Verständnis prüfen

Welches Merkmal des Fahrzeugnetzwerks LIN ist richtig?

AEin schnelles Verfahren mit zwei differenziellen Signalleitungen und bis zu 10 Mbit/s, das für sicherheitskritische Steuerungen wie Bremse und Lenkung verwendet wird
BEin Verfahren mit 1 Gbit/s über ein verdrilltes Adernpaar, das für die Übertragung von Kamerabildern und Displaydaten verwendet wird
CEin langsames (bis etwa 20 kbit/s) und kostengünstiges Verfahren, bei dem ein Master und mehrere Slaves an einer einzigen Signalleitung hängen, verwendet z. B. für die Steuerung von elektrischen Fensterhebern und Spiegeln

Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Ein langsames (bis etwa 20 kbit/s) und kostengünstiges Verfahren, bei dem ein Master und mehrere Slaves an einer einzigen Signalleitung hängen, verwendet z. B. für die Steuerung von elektrischen Fensterhebern und Spiegeln

LIN (Local Interconnect Network) verwendet eine einzige Signalleitung, und die Slaves senden in der vom Master festgelegten Reihenfolge; mit maximal etwa 20 kbit/s ist es langsam. Es lässt sich mit einer einfachen, UART-ähnlichen Kommunikationsschaltung realisieren, und die Slaves können sich auch ohne hochgenauen Oszillator synchronisieren, was es kostengünstig macht. Bereiche ohne Geschwindigkeitsanforderungen wie elektrische Fensterheber, Spiegel, Sitze und Schalter werden als Subnetz von CAN angebunden. Das Verfahren mit 10 Mbit/s beschreibt FlexRay, das mit 1 Gbit/s Automotive Ethernet.

Wie verhält sich CAN, wenn zwei Knoten gleichzeitig beginnen, einen Frame zu senden?

ADie beiden Frames kollidieren und werden beide zerstört; beide Knoten warten eine zufällige Zeit und senden erneut
BDer Frame mit dem kleineren ID-Wert (höhere Priorität) wird weiter gesendet, der unterlegene Knoten bricht ab und sendet später erneut, sodass der siegreiche Frame nicht zerstört wird
CDer Frame mit dem größeren ID-Wert hat Vorrang, der Frame mit dem kleineren ID-Wert wird verworfen und nicht erneut gesendet

Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Der Frame mit dem kleineren ID-Wert (höhere Priorität) wird weiter gesendet, der unterlegene Knoten bricht ab und sendet später erneut, sodass der siegreiche Frame nicht zerstört wird

Auf dem CAN-Bus setzt sich 0 (dominant) durch, wenn gleichzeitig 0 und 1 (rezessiv) ausgegeben werden. Ein sendender Knoten vergleicht Bit für Bit das eigene Bit mit dem Buszustand; sieht er eine 0, obwohl er eine 1 gesendet hat, erkennt er, dass er die Arbitrierung verloren hat, und bricht das Senden ab. Da die ID zuerst gesendet wird, hat eine ID mit kleinerem Wert eine höhere Priorität, und der siegreiche Frame kommt unbeschädigt an. Dies nennt man zerstörungsfreie Arbitrierung. Nach einer Kollision eine zufällige Zeit zu warten, ist das Verfahren CSMA/CD des früheren Ethernet.

An einem CAN-Bus mit je einem 120-Ω-Abschlusswiderstand an beiden Enden wird im spannungslosen Zustand der Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L gemessen. Welcher Wert kommt dem Normalfall am nächsten?

A120 Ω
B240 Ω
C60 Ω

Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. 60 Ω

Der CAN-Bus erhält zur Vermeidung von Signalreflexionen an beiden Enden je einen Abschlusswiderstand von 120 Ω. Zwischen CAN_H und CAN_L betrachtet sind die beiden 120 Ω parallel geschaltet, also 120 × 120 / (120 + 120) = 60 Ω. Ein Messwert von 120 Ω deutet auf einen fehlenden Abschlusswiderstand hin, etwa 40 Ω auf Verdrahtungsfehler wie drei angeschlossene Abschlusswiderstände. 240 Ω ist der Fehler, beide als Reihenschaltung zu betrachten.

Übungsfragen zu Automobilhalbleiter und Funktionale Sicherheit

Wichtige Begriffe erklärt

CAN-Bus: Abkürzung für Controller Area Network; Fahrzeugnetz, das ECUs über differenzielle Signale auf zwei Leitungen verbindet. Kleinere ID-Werte haben höhere Priorität, und beginnen Knoten gleichzeitig zu senden, bleibt durch zerstörungsfreie Arbitrierung ein einziger Frame erhalten. Klassisches CAN arbeitet mit bis zu 1 Mbit/s, CAN FD beschleunigt die Datenphase auf einige Mbit/s.
ECU (elektronisches Steuergerät): Fahrzeug-Steuergerät auf Basis eines Mikrocontrollers, das Motor, Bremsen, Türen usw. steuert. Mit jeder neuen Funktion kamen ECUs hinzu, teils über 100 pro Fahrzeug; heute werden sie durch Zonenarchitekturen und ähnliche Ansätze zusammengefasst.
Zonenarchitektur: Aufbau der Fahrzeugelektronik, bei dem in jedem Fahrzeugbereich platzierte Zonen-ECUs die nahen Sensoren und Aktoren anbinden, während die Steuerungsverarbeitung in einem zentralen Hochleistungsrechner gebündelt wird. Sie ermöglicht einen kürzeren, leichteren Kabelbaum als der herkömmliche Ansatz mit einer ECU pro Funktion.
Differenzielle Signalübertragung: Verfahren, bei dem auf zwei Leitungen gegenphasige Signale übertragen werden und 0 und 1 durch die Spannungsdifferenz dargestellt werden. Auf beiden Leitungen gleich einwirkendes Rauschen hebt sich auf, sodass mit kleiner Amplitude schnell übertragen werden kann.

CAN vs. LIN vs. Automotive Ethernet: Unterschiede

Wann welche Variante?

Häufige Fragen

Was passiert bei CAN, wenn zwei Knoten gleichzeitig zu senden beginnen?

Warum ist LIN günstig?

Wie unterscheidet sich Automotive Ethernet vom gewöhnlichen Ethernet etwa im Büro?

Verschwinden CAN und LIN, wenn Automotive Ethernet zunimmt?

Verständnis prüfen

Welches Merkmal des Fahrzeugnetzwerks LIN ist richtig?

Wie verhält sich CAN, wenn zwei Knoten gleichzeitig beginnen, einen Frame zu senden?

An einem CAN-Bus mit je einem 120-Ω-Abschlusswiderstand an beiden Enden wird im spannungslosen Zustand der Widerstand zwischen CAN_H und CAN_L gemessen. Welcher Wert kommt dem Normalfall am nächsten?

Wichtige Begriffe erklärt

Verwandte Vergleiche