CAN-Bus-Verkabelung: Grenzabmessungen für Stichleitungen, Platzierung der Abschlusswiderstände und Daisy-Chain-Topologie

Eine zuverlässige CAN-Bus-Verkabelung ist eine physikalische Disziplin, die durch drei harte Einschränkungen bestimmt wird: Topologie, Stummel-Länge und Platzierung der Terminierung:

Wichtige Erkenntnisse

• CAN verwendet nur einen linearen (Daisy-Chain) Bus – jeder Knoten greift in Reihe auf einen einzigen Trunk zu, und Stern-, Baum- oder Ringlayouts sind verboten, da Verzweigungsreflexionen die Bit-Abtastung verfälschen.
• Bei 1 Mbit/s sollte die einzelne Stummel-Länge unter 0,3 m und die gesamte Bus-Länge unter etwa 40 m bleiben; beide Grenzwerte lockern sich mit sinkender Bitrate.
• ISO 11898-2 schreibt einen 120 Ω Abschlusswiderstand an jedem physikalischen Ende des Busses vor – insgesamt zwei Abschlusswiderstände, niemals einen und niemals drei.
• Die Messung von ca. 60 Ω zwischen CAN_H und CAN_L bei ausgeschalteter Stromversorgung bestätigt die korrekte Doppel-Terminierung; ~120 Ω signalisieren einen fehlenden Abschlusswiderstand und ~40 Ω einen zusätzlichen.
• Kundenspezifische CAN-Kabelbäume für SAE J1939 und CANopen steuern die Stummel-Länge am Anschluss-Breakout, wodurch die Abgriffe kurz genug gehalten werden, um die Signalintegrität bei 500 kbit/s und höher zu erhalten.

Faustregel für Ingenieure: Platzieren Sie genau zwei 120 Ω Abschlusswiderstände an den beiden am weitesten entfernten Enden des Trunks, halten Sie jeden Stummel bei 1 Mbit/s unter 0,3 m und verlängern Sie den Trunk, um einen Knoten zu erreichen, anstatt davon abzuzweigen.

Warum CAN nur eine lineare Daisy-Chain-Topologie toleriert

CAN ist ein Multi-Drop-Differenzialbus, der von ISO 11898-2 als ein einziger linearer Trunk definiert ist. Jeder Knoten verbindet sich mit diesem Trunk über einen kurzen Stummel oder Abgriff, anstatt über seinen eigenen Zweig. Der Bus verlässt sich darauf, dass jeder Transceiver eine saubere Differenzialwellenform innerhalb einer einzelnen Bitzeit sieht, auch während der nicht-destruktiven Arbitrierung, bei der dominante und rezessive Zustände über die gesamte Kabellänge stabilisiert werden müssen.

Stern-, Baum- und Ringtopologien brechen dies. Jede Verbindung ist eine Impedanzdiskontinuität, die Reflexionen entlang des Trunks zurückwirft, und diese Reflexionen erreichen die Abtastpunkte als Überschwingen, Ringing oder falsche Flanken. Ein CAN-Segment für die Produktion wird daher als ein einziger kundenspezifischer Kabelbaum-Trunk mit kurzen, kontrollierten Abzweigungen zu jedem Knotenanschluss aufgebaut – nicht als Hub mit strahlenden Speichen. Wenn ein Stern unvermeidlich ist, wird ein aktiver CAN-Repeater oder Hub benötigt, um jedes Segment neu zu terminieren.

Stummel-Längen-Grenzen und Bitrate

Ein Stub ist die unterminierte Kabellänge zwischen dem Hauptstrang (Trunk) und einem Knotenpunkt (Node). Da die Nennimpedanz des Kabels von 120 Ω am offenen Stub-Ende unterbrochen wird, verhält sich der Stub wie eine Diskontinuität in der Übertragungsleitung: Ein Teil des Signals wird reflektiert, läuft zum Hauptstrang zurück und überlagert sich der aktiven Wellenform. Wenn die Laufzeit des Stubs einen bedeutsamen Bruchteil der Signalanstiegszeit erreicht, landet diese Reflexion im Abtastfenster und verfälscht das Bit.

Je schneller die Bitrate, desto kürzer die Bitzeit und desto kürzer der tolerierbare Stub. Bei 1 Mbit/s liegt die kanonische Grenze bei etwa 0,3 m pro Stub, wobei auch die kumulative Stublänge über den gesamten Bus begrenzt ist. Die Begründung für den Zielwert von 120 Ω und wie er sich von 100 Ω Ethernet-Kabeln unterscheidet, wird in unserem Leitfaden zur charakteristischen Impedanz von CAN-Bus-Kabeln erläutert. Die folgende Tabelle fasst die ISO 11898-2 / CiA-konforme Empfehlung für gängige Bitraten zusammen.

Die Buslängenangaben sind durch die Ausbreitungsverzögerung begrenzt und gut etabliert; die Stub-Toleranzen für niedrigere Raten sind branchenübliche Skalierungen und keine festen Standardwerte. Betrachten Sie sie daher als Design-Obergrenzen und halten Sie sich bei EMV-sensiblen Aufbauten gut innerhalb dieser Grenzen.

Platzierung der Abschlusswiderstände — Zwei 120 Ω Widerstände, nicht mehr

ISO 11898-2 schreibt an jedem physischen Ende des Hauptstrangs einen 120 Ω Abschlusswiderstand vor, um die Kabelimpedanz anzupassen und das Signal zu absorbieren, damit es nicht reflektiert wird. Zwei parallel geschaltete 120 Ω Widerstände ergeben 60 Ω für den Bus, weshalb ein ausgeschaltetes, korrekt terminiertes Segment etwa 60 Ω zwischen CAN_H und CAN_L misst. Eine Messung nahe 120 Ω bedeutet, dass ein Abschlusswiderstand fehlt; eine Messung nahe 40 Ω bedeutet, dass ein dritter Widerstand irgendwo auf dem Bus hinzugefügt wurde.

Zwei Schemata sind üblich. Die Standardterminierung platziert einen einzelnen 120 Ω Widerstand an jedem Ende. Die Split-Terminierung teilt jeden Abschlusswiderstand in zwei 60 Ω Widerstände in Serie, mit einem Kondensator – typischerweise 4,7 nF – zur Masse in der Mitte, der Gleichtaktstörungen unterdrückt und abgestrahlte Emissionen bei langen industriellen Leitungen reduziert.

CAN-Verkabelung in der Praxis: Automobil, Schwermaschinen und Industrie

In Leichtfahrzeugen laufen die Antriebsstrang- und OBD-II-Diagnosenetzwerke CAN mit 500 kbit/s über ein verdrilltes Paar, und das gesamte Steuergeräte-Netzwerk ist als Daisy-Chain Automobil-Kabelbaum mit integrierten Abschlusswiderständen in den beiden Endmodulen aufgebaut. SAE J1939 regelt Netzwerke für schwere Nutzfahrzeuge und Nutzfahrzeuge, historisch mit 250 kbit/s und mit 500 kbit/s gemäß J1939-14.

Außerhalb der Straße und in der Landwirtschaft kommen Dichtungsanforderungen hinzu, sodass J1939-Backbones üblicherweise in Deutsch DT und DTM Steckverbindern enden, die für Vibrationen und Eindringen ausgelegt sind; ein abgedichteter Deutsch-Kabelbaum hält den Hauptstrang durchgehend, während kurze Abzweigungen zu jedem Controller gebildet werden.

Auf dem Fabrikboden setzen CANopen (gemäß CiA 301) und DeviceNet die gleiche physikalische Schicht über M12 5-Pin- oder DB9-Steckverbinder gemäß CiA 303 Pinbelegungen ein, oft in Kabeln für kontinuierliche Flexibilität in Schleppketten. Ein für Schleppketten ausgelegter Industrie-Kabelbaum muss die Abzweigdisziplin im flexiblen Bereich einhalten, wo ein langer oder sich bewegender Abzweig die Signalintegrität schneller beeinträchtigt als eine statische Installation.

Häufig gestellte Fragen zur CAN-Bus-Verkabelung

Was ist die maximale Abzweiglänge für CAN bei 500 kbit/s?

Bei 500 kbit/s sollte jeder nicht abgeschlossene Stub etwa 0,6 m und die kumulative Stublänge etwa 1,5 m nicht überschreiten. Dies sind Design-Obergrenzen, die sich aus der Bitzeit und der Signalanstiegszeit ergeben, keine festen Standardgrenzen. Kürzere Längen sind daher auf verrauschten oder langen Bussen immer sicherer.

Kann ein CAN-Abschlusswiderstand in der Mitte des Busses platziert werden?

Nein – die beiden 120-Ω-Abschlusswiderstände müssen sich an den beiden physischen Enden des Hauptkabels befinden, nicht in der Mitte. Ein Abschlusswiderstand in der Mitte teilt das Kabel in zwei nicht abgeschlossene Segmente, deren offene Enden Signale reflektieren, und fügt einen dritten Widerstand parallel hinzu, der die Busimpedanz unter den angepassten Wert senkt.

Was passiert, wenn ein CAN-Bus drei Abschlusswiderstände hat?

Drei 120-Ω-Widerstände parallel senken die effektive Busimpedanz auf etwa 40 Ω, was die Transceiver überlastet und den differentiellen Spannungsabfall schwächt. Der Bus kann bei niedrigen Bitraten möglicherweise noch funktionieren, zeigt aber steigende Fehlerraten bei zunehmender Geschwindigkeit oder Temperatur.

Unterstützt CAN eine Stern- oder Zweigtopologie?

CAN ist nur für lineare Daisy-Chain-Topologien spezifiziert; native Stern- und Ringtopologien sind nicht zulässig. Ein Stern ist nur über einen aktiven CAN-Hub oder Repeater realisierbar, der jedes Bein neu abschließt und neu ansteuert, als unabhängiges, abgeschlossenes Segment.

Wie beschafft man einen kundenspezifischen CAN-Kabelbaum mit kontrollierten Stublängen?

Ein kundenspezifischer CAN-Kabelbaum kontrolliert die Stublänge am Connector-Breakout und integriert die beiden 120-Ω-Abschlusswiderstände in die Endknoten oder Endverbinder. Geben Sie die Bitrate, die Gesamtlänge des Busses, die Anzahl und den Abstand der Knoten, die Connector-Familie (Deutsch, M12 oder DB9) und ob eine geteilte Terminierung erforderlich ist, an, und der Aufbau kann vor der Produktion anhand des Stub- und Längenbudgets validiert werden.

Die Zuverlässigkeit von CAN wird am Kabelbaum festgelegt, nicht in der Firmware: ein einzelner linearer Hauptstrang, Stubs unterhalb der Bitraten-Obergrenze und genau zwei 120-Ω-Abschlusswiderstände an den physischen Enden. Geben Sie diese drei Einschränkungen korrekt an, und der Bus toleriert Rauschen, Vibrationen und Distanz; machen Sie eine davon falsch, und die Fehler treten unter Last als intermittierende, schwer nachvollziehbare Bitfehler auf.