1

Fachartikel

Oktober 2014

Teststrategien für robuste CAN-SystemeEntwicklung, Fehlersuche und Wartung von CAN-Bussen in der Luftfahrt

Der ursprünglich für den Einsatz im Automobil entwickelte CAN-Bus

(Controller Area Network) hat sich aufgrund von Eigenschaften wie

Robustheit, zeitlicher Zuverlässigkeit und gutem Kosten-Nutzen-

Verhältnis schnell in zahlreichen Branchen und Anwendungsgebie-

ten etabliert, so auch in der Luftfahrt. Die Randbedingungen und

Herausforderungen in der Luftfahrt sind vielschichtig und beste-

hen unter anderem in langen Leitungen, extremen Umgebungsbe-

dingungen mit Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, erhöhten Blitzschutzan-

forderungen oder langer Lebensdauer. Während man bei Nutzfahr-

zeugen nach SAE J1939 zum Beispiel mit Buslängen von maximal

40 Metern rechnet, kann in großen Passagierflugzeugen wie einem

Airbus A380 eine Busleitung durchaus 200 Meter und länger sein.

Außergewöhnlich bei Flugzeugen ist auch die lange Nutzungsdauer

von mindestens 30 Jahren. In der Regel unterliegt jede elektrische

Installation einer schleichenden Verschlechterung ihrer elektrischen

Parameter, wobei Alterungseffekte vor allem an den Steckverbin-

dungen durch Korrosion und Abnutzung ihre Spuren hinterlassen,

was zu steigenden Fehlerraten führen kann.

CAN wird im Flugzeug in einer Vielzahl von Systemen und Sub-

systemen wie z.B. Klimaanlage, Türen, Bordküche, Rauchmelder,

Frisch- und Abwasser, Enteisung u.a. eingesetzt. Aufgrund der spe-

zifischen Anforderungen und insbesondere der langen Nutzungs-

dauer in der Luftfahrt sind bereits im Design und der Auslegung der

Netzwerke genügend elektrische Reserven einzuplanen, um den zu

erwartenden Alterungserscheinungen entgegen zu treten. Die Tat-

sache, dass ein neues System logische Funktionstests einwandfrei

absolviert, enthält prinzipiell keine Informationen über die Quali-

tät und Robustheit der physikalischen Kommunikation Dies lässt

sich nur durch Tests und Messungen auf der physikalischen Ebene

nachweisen.

Das serielle Bussystem CAN etabliert sich in zahlreichen Anwendungsbereichen in der Luftfahrt. Die umfangreichen Aktiv-itäten in CAN-Standardisierungsgremien wie ARINC 825 und ARINC 812 zeigen, dass Flugzeughersteller, Zulieferer und Fluggesellschaften in zukünftigen Flugzeugprogrammen noch mehr auf CAN-vernetzte Systeme und Subsysteme setzen werden. Um die hohen Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu erfüllen, sind effiziente Mess- und Testmethoden gefragt, die bis hinunter auf die physikalische Übertragungsebene reichen.

2

Fachartikel

Oktober 2014

Bild 1: USB-Oszilloskop-Hardware zur bit-genauen Analyse der CAN-Kommunikation.

Physical Layer von CAN ist in hohem Maße anwendungs- abhängig

Das aktuell für die zivile Luftfahrt empfohlene CAN-Nutzungsproto-

koll ist in ‚ARINC 825‘ standardisiert. Schon in den ursprünglich

von Bosch veröffentlichten Standards CAN 2.0A/B sind nur die Auf-

gaben der Schicht 2 (Data Link Layer) des ISO/OSI-Schichtenmo-

dells verbindlich definiert. In der Praxis hängen die tatsächlich

verwendeten physikalischen Parameter stark vom jeweiligen Sys-

tementwickler und den konkreten Einsatzbedingungen ab, insbe-

sondere betrifft dies die Buslänge und die Bitrate. Diese schränken

sich gegenseitig ein, denn je länger die Busleitung, desto größer

die Signallaufzeit. ARINC 825 unterstützt Datenübertragungsraten

von 83,333 kBit/s, 125 kBit/s, 250 kBit/s, 500 kBit/s und 1000

kbit/s. High-Speed-CAN-Busse verwenden eine verdrillte 2-Draht-

Leitung und arbeiten mit einer Differenzspannung von 0,9 bis 2 V.

Die Busleitung ist in Linien-Topologie ausgeführt und erfordert an

beiden Enden die Terminierung mit einem Abschlusswiderstand;

Busteilnehmer sind über kurze Stichleitungen angeschlossen.

Bei CAN erwartet der jeweilige Sender von einem oder mehreren

Empfängern bitsynchrone Quittierungen. Daraus resultiert unter

anderem die hohe Robustheit von CAN. Auch das verzögerungsfreie

Buszugriffsverfahren basiert auf einem bitsynchronen Abgleich der

High-Low-Signalpegel. Alle Bustreiber sind mit Open-Collector-

Ausgängen ausgestattet und ein durchgeschalteter (niederohmi-

ger) Ausgang setzt sich immer durch, da er das per Pull-Up-Wider-

ständen generierte High-Signal auf Low-Pegel zieht. Low ist somit

stets dominant und High rezessiv.

Mögliche Fehlerursachen

Jedes Bit ist in mehrere Phasen unterteilbar und der Entwickler

legt einen einheitlichen Abtastzeitpunkt (Sampling Point) fest,

quasi als gemeinsamen Nenner für die Busteilnehmer. Probleme auf

dem Physical Layer des CAN-Netzwerks werden häufig verursacht

von der Oszillatortoleranz, Bit-Asymmetrien aufgrund von Trans-

ceiver-Verzögerungen oder Signallaufzeiten Abhängig von der Spe-

zifikation der Komponenten des Physical Layers kann sich das Opti-

mum für dieses Zeitfenster ein wenig nach vorne oder nach hinten

verschieben. Normalerweise ist der Flugzeughersteller dafür ver-

antwortlich, das Bit Timing als Teil der physikalischen Spezifikation

des CAN-Netzwerks festzulegen. Deshalb sollte zunächst geprüft

werden, ob die Bit Timings in den einzelnen CAN-Controllern für

jeden Busknoten korrekt konfiguriert sind.

Als weitere Fehlerursachen kommen beispielweise eine zu lange

Busleitung, zu viele oder zu lange Stichleitungen oder eine fehler-

hafte Terminierung in Frage. Bei Busleitungsdimensionen von über

200 Metern spielen Signallaufzeiten eine immer größere Rolle. Die

Lage des Bits läuft mit zunehmender Leitungslänge auseinander,

so dass ein einheitlicher Abtastzeitpunkt immer schwieriger reali-

sierbar ist. Abhilfe sollte in diesem Fall die Verwendung einer nied-

rigeren Bitrate schaffen. Ein ebenfalls gangbarer Weg ist es, das

System in zwei schnellere separate Netze aufzuteilen. Bei Stichlei-

tungen zu den einzelnen Busteilnehmern verursachen Welleneffek-

te wie z.B. Reflexionen Probleme. Sie treten an Leitungsenden und

Stoßstellen wie Abzweigungen und Steckverbindungen auf und

überlagern das CAN-Bussignal mit Störspannungen. Für Stichlei-

tungen gilt die Faustregel, dass die Summe der Stichleitungen

maximal 10 % der Gesamtleitungslänge betragen darf. Selbstver-

ständlich sind stets auch EMV-Probleme in Betracht zu ziehen,

wenn die Busleitung nahe an Störquellen wie (starken) Elektromo-

toren, Umrichtern usw. vorbeiführt.

Synchrone Analyse der physikalischen und logischen CAN-Schichten

Um diese und zahlreiche weitere Fehlerursachen aufzudecken, rei-

chen die üblichen Analysen auf der logischen Ebene nicht mehr

aus. Vielmehr benötigen die Entwickler hier bit-genaue Einblicke in

die Signalverläufe auf der physikalischen Ebene. Allerdings sind

Messungen ohne Bezug zu den logischen CAN-Ereignissen schwie-

rig zu konfigurieren, interpretieren und evaluieren. Vector hat

daher seine Test- und Analysewerkzeuge CANoe und CANalyzer um

eine leistungsfähige Oszilloskop-Funktionalität ergänzt. Die Option

„SCOPE“ nutzt eine gemeinsame Zeitbasis für Oszilloskop-Daten

und CAN-Event-Daten, was am Bildschirm oder in Reports eine

absolut synchrone Darstellung von aufgezeichneten CAN-Frames

und der zugehörigen CAN-Bussignale erlaubt. CANoe/CANalyzer.

SCOPE basiert auf der USB-Oszilloskop-Hardware (Bild 1) und

unterstützt vier- und zweikanalige Lösungen mit Bandbreiten von

200 MHz bzw. 60 MHz; die Samplerate beträgt bis jeweils 500 Ms/s.

Den exakten Zeitbezug stellt eine Sync-Leitung zwischen der Oszillo-

skop-Hardware und den verwendeten CAN-Bus-Interfaces her. Damit

sich Problemstellen zügig auffinden lassen, stehen umfangreiche

3

Fachartikel

Oktober 2014

Bild 2: Bit-Masken-Test eines CAN-Differenzsignals um die Signalqualität eines CAN-Teilnehmers (Datenfeld) im Bereich des Abtastpunktes zu beurteilen.

Bild 3: Bei der automatischen Testdurch- führung wird ein ausührlicher Report erstellt.

Trigger-Möglichkeiten zur Verfügung. Als Trigger-Bedingung kom-

men sowohl einzelne CAN-Frames, ganze ID-Bereiche oder speziel-

le Ereignisse wie Error Frames in Frage. Erweiterte Möglichkeiten

bieten ferner das programmgesteuerte Auslösen von Triggern

sowie die Kombination mehrerer Trigger. Über frei definierbare Bit-

Masken im Spannungs-Zeit-Diagramm sind Verletzungen des Bit

Timings eindeutig visualisierbar. Läuft der Spannungsverlauf durch

eine Maske hindurch, stellt das eine mögliche Verletzung der physi-

kalischen Spezifikation bzw. der Systemreserve dar. Verletzte Mas-

ken färbt CANoe.SCOPE rot ein, während unberührte Bit-Masken

grün dargestellt werden (Bild 2).

Effiziente Teststrategien für Fehlersuche und Robustheit

Diese Oszilloskop-Funktionen gestatten Entwicklern und Testinge-

nieuren eine schnelle und gezielte Analyse des Physical Layers. Als

Teststrategie empfiehlt Vector alle Steuergeräte zunächst einzeln

zu überprüfen, um mögliche Problemkandidaten herauszufiltern.

Gefundene Fehler lassen sich in den nächsten Schritten näher ein-

grenzen und durch geeignete Maßnahmen eliminieren. Bei spora-

disch auftretenden Fehlern sind Dauerlauftests auf dieselben

Frames oder Identifier sinnvoll. Arbeitet ein Netzwerk fehlerfrei,

will man wissen, ob es gerade eben funktioniert oder ob noch

genügend Systemreserven vorhanden sind. Dies lässt sich durch

schärfere Verletzungskriterien herausfinden. Man verändert die

Lage und Form der Bit-Masken schrittweise, bis wieder erste Fehler

auftreten. Diejenigen Steuergeräte, die für die nun sichtbaren Ver-

letzungen verantwortlich sind, würden im regulären Betrieb als

erste ausfallen und potenzielle Fehlerquellen darstellen. Die Test-

reports der dokumentierten Fehler oder exportierte Daten lassen

sich bequem zwischen Flugzeughersteller und Zulieferer austau-

schen (Bild 3). Idealerweise arbeitet der Zulieferer mit demselben

Analyse- und Testwerkzeug und ist so in der Lage Fehler zügig

nachzustellen und zu beseitigen.

4

Fachartikel

Oktober 2014

Eine weitere übliche Teststrategie ist das gezielte Stören des CAN-

Netzwerks mit künstlichen physikalischen und logischen Fehlern.

Auch dafür steht mit dem handlichen Hardware-Modul CANstressDR

eine geeignete Lösung zur Verfügung (Bild 4).

Vector ist ein CAN-Pionier der ersten Stunde und kann auf eine

Erfahrung von über 25 Jahren in Bereichen wie Automotive, Nutz-

fahrzeuge, Agrartechnik, Luft- und Schifffahrt zurückblicken. Die

Hard- und Software-Lösungen werden abgerundet durch zahlreiche

Schulungen zu Themen wie Entwurf, Analyse und Testen von CAN-

Systemen und weiterer Netzwerke wie CAN FD, AFDX und Ethernet.

Mit dem kostenlosen E-Learning-Modul „Einführung in CAN (inkl.

CAN FD)“ können Interessierte sich in die CAN-Kommunikations-

technologie selbst einarbeiten.

Fazit und Ausblick

Angesichts mehrerer hundert CAN-Systeme in aktuellen und

zukünftigen Flugzeuggenerationen sind Hersteller und Zulieferer

gleichermaßen zunehmend angewiesen auf die Verfügbarkeit leis-

tungsfähiger Analyse- und Testwerkzeuge. Die bit-genaue und zeit-

synchrone Analyse von logischen und physikalischen Ereignissen

auf CAN-Bussen mit der beschriebenen Oszilloskop-Lösung

beschleunigt nicht nur die primäre Fehlersuche, sondern dient

auch zur Beurteilung von Signalqualität und Robustheit. Umfang-

reiche Trigger- und Programmiermöglichkeiten in Kombination mit

einer leistungsfähigen Testautomatisierung unterstützen den Ent-

wickler bei der Fehlersuche und Optimierung seiner CAN-Netze.

Für die verschiedenen Hersteller und Entwicklungsabteilungen

der Luftfahrt kann auch ein dediziertes Produkt auf Basis der Vec-

tor-Scope-Lösung sinnvoll sein. Eine entsprechende Entwicklung

mit Oszilloskop-Hardware und geeignetem CAN-Interface in einem

Gehäuse ist bei Vector bereits verfügbar. Ebenso ist Vector offen für

Anfragen zu kundenspezifischen Besonderheiten wie speziellen

Signalauswertungen und herstellerspezifischen Bedienober-

Bild 4: Gezielte und reproduzierbare Störung des CAN-Busses, seiner physikalischen Eigenschaften und der logischen Pegel mit CANstressDR und CANoe.

flächen, damit diese Test-Lösung möglichst effizient und breit

eingesetzt wird. So sind beispielsweise automatisierte Test-

werkzeuge realisierbar, die nach definierten Vorgaben des Herstell-

ers in der Produktion Serientests an jedem Flugzeug durchführen.

Mit einer erweiterten Oszilloskop-Lösung möchte Vector in

naher Zukunft einige innovative Mess- und Analysefunktionen rea-

lisieren um CAN-Kabel und deren Terminierungen zu prüfen. Auf

Grund der oft sehr langen und schlecht zugänglichen CAN-Leitun-

gen im Flugzeug wird eine Ortung der Bruchstelle angestrebt, um

die Kosten bei der Fehlersuche noch weiter zu reduzieren.

Übersetzung einer englischsprachigen Veröffentlichung in Aerospace Testing International, Showcase 2015.

Links:Lösungen für die Aerospace-Elektronikvernetzung: www.avionics-networking.comInternetseite Vector: www.vector.comProduktinformation CANoe: www.vector.com/vi_canoe_de.htmlProduktinformation CANoe.SCOPE:www.vector.com/vi_canoe_canalyzer_scope_de.htmlProduktinformation CANstressDR: www.vector.com/vi_canstress_de.htmlProduktinformation Datenlogger GL1020FTE: www.vector.com/gl1020fte

E-Learning-Modul „Einführung in CAN (inkl. CAN FD)“: https://elearning.vector.com/vl_can_introduction_portal_de.html

Jörn Haase (Dipl.-Ing.) ist Senior Expert Aerospace bei der Vector Informatik GmbH im Kunden-Center Hamburg.

Gavin C. Rogers (B.Eng. M.Sc.) ist bei Vector Informatik u.a. als Produkt Manager für die CANoe/CANalyzer Optionen CAN und SCOPE verantwortlich.