Messung am CAN-Bus

Themen:

Einführung
Diagnose CAN-Bus signalisiert niedrige/mittlere Geschwindigkeit
Diagnose CAN-Bus signalisiert hohe Geschwindigkeit
Diagnose mit dem Multimeter

Einführung:
Besteht der Verdacht, dass eine Fehlfunktion im CAN-Bus vorliegt, kann eine Diagnose unter anderem durch Messung der Spannungspegel auf den Leitungen erfolgen.
Der Inhalt der CAN-Bus-Nachricht ist zunächst unerheblich. Wir können sowohl mit dem Multimeter als auch mit dem Oszilloskop Messungen an den CAN-Bus-Leitungen durchführen. Die Messungen mit dem Multimeter haben allerdings eine Einschränkung; Bei der Messung der Spannungen wird nur ein Durchschnittswert angezeigt. Für die Messung einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses reicht das Multimeter bedingt aus. Das Oszilloskop wird benötigt, um die Spannungspegel zu messen und zu beurteilen, ob das Signal einen sauberen Weg hat.

Wie ein CAN-Bus-System funktioniert und wie die Nachrichten aufgebaut sind, wird auf der Seite erklärt CAN-Bus. Diese Seite konzentriert sich auf die Messung des CAN-Busses mit dem Oszilloskop und die Multimeter und mögliche Störungen und Ursachen werden beschrieben.

Diagnose CAN-Bus-Signale niedrige / mittlere Geschwindigkeit:
Mit einem Zweikanal-Oszilloskop können CAN-High und CAN-Low gleichzeitig gegenüber Masse gemessen werden. Die beiden Scope-Bilder unten zeigen das CAN-Bus-Signal des Komfortbusses. Dies wird auch als „niedrige Geschwindigkeit“ oder „mittlere Geschwindigkeit“ bezeichnet. Dieses Netzwerk finden wir häufig in der Komfortelektronik, beispielsweise der Türelektronik, dem BCM, dem Klimasteuergerät und der Instrumententafel. Die Spannungen sind wie folgt:

CAN-low: im Ruhezustand 0 Volt, aktiv 4 Volt;
CAN-High: Leerlauf 5 Volt, aktiv 1 Volt.

Wenn wir die Nulllinien beider Messkanäle auf die gleiche Höhe der Y-Achsen stellen, verschmelzen die Signale. Daher empfiehlt es sich, zum Auslesen die Y-Achse des CAN-Low nach oben zu bewegen. Im zweiten Bild unten haben die Nulllinien ihre Höhe geändert, sodass das Spannungsprofil von CAN-High und -Low richtig verglichen werden kann.

Bitte beachten Sie: Die Low- und Medium-Speed-CAN-Netzwerke sind im Gegensatz zum High-Speed-CAN-Netzwerk häufig nicht mit Abschlusswiderständen ausgestattet. Daher sind auch die Messungen an einer Störung unterschiedlich. In diesem Abschnitt werden die möglichen Störungen des Nieder- und Mittelgeschwindigkeitsnetzes dargestellt, im nächsten Abschnitt das Hochgeschwindigkeitsnetz.

CAN-High mit Masse kurzgeschlossen:
Im CAN-High liegt ein Masseschluss vor. Wenn die Isolierung beschädigt ist, kann es zu einem Kontakt der Verkabelung mit der Karosserie kommen oder es kommt in einem Steuergerät zu einem Kurzschluss nach Masse.

In der folgenden Messung sehen wir eine Konstantspannungsleitung auf Kanal B, die 0 Volt beträgt.

CAN-Low mit Masse kurzgeschlossen:
Es liegt ein Masseschluss im CAN-Low vor. Wenn die Isolierung beschädigt ist, kann es zu einem Kontakt der Verkabelung mit der Karosserie kommen oder es kommt in einem Steuergerät zu einem Kurzschluss nach Masse.

In der folgenden Messung sehen wir eine Konstantspannungsleitung auf Kanal A, die 0 Volt beträgt.

CAN-High mit Plus kurzgeschlossen:
Im CAN-High liegt ein Zwangsschluss vor. Wenn die Isolierung mehrerer Leitungen in einem Kabelbaum beschädigt ist, kann es zu einem Kontakt der Leitungen untereinander kommen oder es kommt in einem Steuergerät zu einem Kurzschluss mit Plus.

In den beiden folgenden Messungen sehen wir:

Kanalüberschreitung: Der Spannungsbereich von Kanal B (rot) muss erhöht werden;
Auf Kanal B sehen wir (im 20-V-Bereich) eine Konstantspannungsleitung, die der Batteriespannung entspricht.

CAN-Low mit Plus kurzgeschlossen:
Der CAN-Low hat einen positiven Stromkreis. Wenn die Isolierung mehrerer Leitungen in einem Kabelbaum beschädigt ist, kann es zu einem Kontakt der Leitungen untereinander kommen oder es kommt in einem Steuergerät zu einem Kurzschluss mit Plus.

In den beiden folgenden Messungen sehen wir:

Kanalüberschreitung: Der Spannungsbereich von Kanal A (blau) muss vergrößert werden;
Auf Kanal A sehen wir (im 20-V-Bereich) eine Konstantspannungsleitung, die der Batteriespannung entspricht.

CAN-High mit CAN-Low kurzgeschlossen:
Der CAN-Low wechselt zum Spannungsprofil von CAN-High, wenn sie miteinander verbunden werden. Ein Kurzschluss zwischen CAN-High und CAN-Low kann in der Verkabelung auftreten, wenn die Isolierung beider CAN-Bus-Leitungen abgenutzt ist oder durch einen Defekt in der Leiterplatte eines Steuergerätes.

Im Bild unten sehen wir die Zweikanalmessung, bei der CAN-High und -Low miteinander kurzgeschlossen sind.

Bei CAN-High kommt es gelegentlich zu Kommunikationsausfällen:
Die Kommunikation mit einem Steuergerät im CAN-High ist unterbrochen. Dieses Steuergerät sendet und empfängt keine Daten mehr über den CAN-High, der CAN-Low funktioniert jedoch weiterhin. Dadurch bleiben Kommunikation und Lesen weiterhin möglich.

Wenn der Stecker des entsprechenden Steuergeräts abgezogen wird, verschwinden auch die CAN-Low-Daten und der Unterschied zwischen CAN-High und CAN-Low ist nicht mehr sichtbar.

Im Bild unten sehen wir, dass der CAN-High an einer Stelle versenkt bleibt, während Daten auf dem CAN-Low gesendet werden.

Bei CAN-Low kommt es gelegentlich zu Kommunikationsausfällen:
Die Kommunikation mit einem Steuergerät im CAN-Low ist unterbrochen. Dieses Steuergerät sendet und empfängt keine Daten mehr über den CAN-Low, der CAN-High funktioniert jedoch weiterhin. Dadurch bleiben Kommunikation und Lesen weiterhin möglich.

Wenn der Stecker des entsprechenden Steuergeräts abgezogen wird, verschwinden auch die CAN-High-Daten und der Unterschied zwischen CAN-High und CAN-Low ist nicht mehr sichtbar.

Im Bild unten sehen wir, dass der CAN-Low an einem Punkt rezessiv bleibt, während Daten auf dem CAN-High gesendet werden.

Diagnose CAN-Bus signalisiert hohe Geschwindigkeit:
Die Steuergeräte, bei denen eine hohe Kommunikationsgeschwindigkeit von großer Bedeutung ist, sind mit einem Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerk ausgestattet. Hierzu zählen beispielsweise die Steuergeräte des Verbrennungsmotors, des Automatikgetriebes, ABS/ESP/EBS und der Airbags. Ein Hochgeschwindigkeitsnetz ist immer mit Abschlusswiderständen ausgestattet. Fehler in der Verkabelung und in Steuergeräten verursachen daher auch einen anderen Spannungsverlauf, der die Diagnose teilweise schwieriger machen kann als bei einem Komfortnetzwerk. Wie immer wird zunächst eine störungsfreie Situation angezeigt, bevor wir zu Störungen übergehen.

Die Spannungen eines Hochgeschwindigkeitsnetzes sind wie folgt:

CAN-High: Leerlauf 2,5 Volt, aktiv 3,5;
CAN-low: Leerlauf 2,5 Volt, aktiv 1,5 Volt.

Wenn CAN-High und -Low beide 2,5 Volt betragen, ist der Bus rezessiv (im Ruhezustand). Wenn der CAN-High ansteigt und der CAN-Low fällt, wird der Bus dominant und es wird ein Bit gebildet. Das Bild unten zeigt einen Screenshot eines korrekten Hochgeschwindigkeits-CAN-Bussignals.

Wenn ein solches Signal gemessen wird und viel Rauschen sichtbar ist, empfiehlt es sich, das Batterieladegerät aus dem Fahrzeug zu entfernen und das Oszilloskop an die Masse des Fahrzeugs anzuschließen (die Automotive-Oszilloskope haben einen „Masse“-Anschluss auf der Rückseite) und Mit der Sample-Frequenz kann das Signal reiner gemacht werden. Die Abtastrate glättet das Signal. Wenn sie also zu weit vom Standardwert abweicht, kann es sein, dass das CAN-Signal zu stark verzerrt wird.

Zur Verdeutlichung ist im Bild unten CAN-High rot und CAN-Low blau.

In der Messung unten sieht man, dass CAN-High (rot) genau 0 Volt beträgt, da es einen Kurzschluss nach Masse hat. CAN-Low (blau) liegt leicht über der Nulllinie. Beim Vergrößern dieses Signals würde dies noch deutlicher werden. Da CAN-High genau 0 Volt beträgt und CAN-Low einige Zehntel Volt höher ist, können wir daraus schließen, dass CAN-High einen Kurzschluss mit Masse hat.

In der Messung unten sehen wir, dass CAN-Low 0 Volt beträgt. Obwohl ein gewisses Rauschen sichtbar ist, können wir das ignorieren. CAN-low ist mit Masse kurzgeschlossen. Wir sehen, dass die CAN-Hochspannungsleitung weiter ansteigt, aber das reicht nicht aus, um die Kommunikation zu starten. Das Oszilloskopbild zeigt auch, dass CAN-low immer eine niedrigere Spannung als CAN-high hat (rot ist immer etwas höher als blau), was bedeutet, dass wir davon ausgehen können, dass CAN-low mit Masse kurzgeschlossen ist.

Im Bild unten sehen wir ein Phänomen, das der Situation ähnelt, in der CAN-low nach Masse kurzgeschlossen wurde. CAN-High (rot) ist auf die Bordspannung von ca. 12 Volt angestiegen. Auch bei CAN-low (blau) ist die Spannung gestiegen und versucht immer noch zu kommunizieren, indem das Signal abgesenkt wird. Da keine Kommunikation zustande kommt, wiederholen sich die negativen Spannungsspitzen immer wieder.

In der Messung unten sehen wir, dass CAN-High und CAN-Low etwa 12 Volt betragen. Allerdings ist die Spannung von CAN-low etwa 200 mV höher als die von CAN-high. CAN-low hat auch CAN-high angehoben. Dies zeigt, dass CAN-Low mit dem Plus kurzgeschlossen ist.

Im Bild unten sehen wir die Zweikanalmessung, bei der CAN-High und CAN-Low miteinander kurzgeschlossen sind. Die Spannung an beiden Kanälen beträgt 2,5 Volt.

Diagnose mit dem Multimeter:
Es ist unklug, CAN-Bus-Spannungspegel mit dem Multimeter zu messen. Das Multimeter zeigt Durchschnittswerte bei vielen unterschiedlichen Spannungen an, so dass eine richtige Diagnose nicht möglich ist. Zur Messung der Spannungen muss das Oszilloskop verwendet werden.

Mit dem Multimeter können wir die Widerstände (nur) eines Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerks mit Abschlusswiderständen messen. Die folgenden Messungen zeigen den ohmschen Widerstand in drei verschiedenen Situationen: einem ordnungsgemäß funktionierenden System, einer offenen Leitung und einem Kurzschluss zwischen CAN-High und CAN-Low. In einem Netzwerk mit niedrigem/mittlerem Komfort (Komfort) werden Abschlusswiderstände selten verwendet und diese Messungen können nicht durchgeführt werden.

Störungsfrei:
Auf der seite CAN-Bus Es wird beschrieben, dass es im Netzwerk zwei Abschlusswiderstände gibt. Die Abschlusswiderstände haben beide einen Widerstandswert von 120 Ohm. Bei einem störungsfreien System messen wir einen Ersatzwiderstand von 60 Ohm zwischen CAN-High und CAN-Low.

Bitte beachten Sie: Wir können dies nur messen, wenn die Stromversorgung aller Steuergeräte ausgeschaltet ist!

Unterbrechung:
Bei einer Unterbrechung einer CAN-High- oder CAN-Low-Leitung messen wir nicht mehr den Ersatzwiderstand von 60 Ohm. In der Abbildung messen wir nur den Wert des Widerstands R2 (120 Ohm).

Kurzschluss:
In der Situation, in der die CAN-Bus-Kabel miteinander verbunden sind (d. h. kurzgeschlossen sind), messen wir einen Widerstandswert von etwa 0 Ohm.

Beim nächsten Fehler werden beide CAN-Leitungen unterbrochen. Es kommt nun zu starken Störungen (Lärm) im Bus. Die Knoten 1, 3 und 4 können miteinander kommunizieren, sofern die Interferenzen und Reflexionen zu groß sind und die Nachrichten dadurch verfälscht werden. Somit können die Knoten 2 und 5 bei gleichem Problem auch miteinander kommunizieren.

Einige CAN-Netzwerke funktionieren auch, wenn eine Leitung unterbrochen ist. Fehlercodes werden gespeichert und der Fahrer wird über Warnleuchten durch Meldungen verschiedener Systeme informiert. Dabei handelt es sich um Netzwerke, die mit einem fehlertoleranten CAN-Transceiver ausgestattet sind. Abhängig vom verwendeten Transceiver können unterschiedliche Arten von Fehlern auftreten, ohne dass die Kommunikation zwischen den Knoten verloren geht. Auch bei den oben genannten Fehlern mit Kurzschlüssen nach Plus und Masse können diese CAN-Transceiver normal funktionieren (natürlich mit diversen Fehlermeldungen).

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