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Automobil-Elektronik

Die Kommunikations-Infrastruktur moderner Automotive-Systeme

| Autor/ Redakteur: Rick Zarr * / Thomas Kuther

Die Datenflut im Automobil nimmt ständig weiter zu. Wir verraten Ihnen, wie sich große Datenmengen unter rauen Umgebungsbedingungen über kostengünstige Kabel übertragen lassen.

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Datenflut in modernen Automobilen: Diese enormen Datenmengen unter rauen Umgebungsbedingungen über kostengünstige Kabel zu übertragen, ist eine echte Herausforderung.
Datenflut in modernen Automobilen: Diese enormen Datenmengen unter rauen Umgebungsbedingungen über kostengünstige Kabel zu übertragen, ist eine echte Herausforderung.
(Bild: Texas Instruments)

Vor nicht allzu langer Zeit war die Verkabelung in einem Kraftfahrzeug lediglich dazu da, die Zündung, Front- und Heckleuchten, einige zusätzliche Verbraucher und die Innenbeleuchtung zu versorgen. Die meisten Anzeigeinstrumente einschließlich des Tachos, der Bedien- und Anzeigeelemente für das Getriebe, der Türverriegelung und der Bremse waren dagegen rein mechanisch.

Im Streben nach mehr Sicherheit und Effizienz hielt jedoch immer mehr Elektronik Einzug, um die Leistungsfähigkeit des Motors zu steigern, eine Traktionskontrolle zu realisieren und den Fahrzeuginsassen mehr aktive Sicherheit zu bieten. Moderne Automobile enthalten inzwischen Satellitenradio, Rear-Seat-Entertainment-Systeme mit DVD-Playern sowie komplette Infotainment-Systeme, die die Position des Fahrzeugs verfolgen, den umgehenden Zugriff auf digitale Musik ermöglichen und über das Mobilfunknetz den Zugang zum Internet ermöglichen.

Sie enthalten bis zu hundert Mikroprozessoren, die sämtliche Aspekte des Autos kontrollieren. Im folgenden Artikel geht es darum, wie all diese Funktionen zu einem Ganzen verbunden werden, sowie um die Probleme, die sich ergeben, wenn man versucht, große Datenmengen unter rauen Umgebungsbedingungen über kostengünstige Kabel zu übertragen.

Die Elektronik zog in den 70ern ins Auto ein

Der Einsatz von Elektronik in Personen- und Lastkraftwagen ist keineswegs neu. Nach der Ölkrise 1973 waren die Automobilhersteller gefordert, den Kraftstoffverbrauch ihrer Motoren zu senken. Erreicht wurde dies durch die elektronische Zündung, die die Regulierung des Zündzeitpunkts und die Erzeugung des Zündfunkens verbesserte.

Die ersten Airbags wurden dagegen noch elektromechanisch gezündet. Hierzu waren vorn im Fahrzeug aus Röhren, Federn und Metallkugeln bestehende Aufprallsensoren angebracht. Bei einem Frontalzusammenstoß geriet die Metallkugel aus ihrer normalen Position und schloss einen Stromkreis, der das Zünden der Airbags veranlasse. Um das Zünden besser kontrollieren zu können, setzte man später Mikroprozessoren zusammen mit Beschleunigungssensoren ein, die frontale und seitliche Zusammenstöße detektieren können.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Je mehr Elektronik, umso mehr Verkabelung

Je mehr Elektronik in den Autos verbaut wurde, umso mehr Verkabelung war zur Verbindung der einzelnen Funktionen erforderlich. Dies wiederum stieß Weiterentwicklungen im Bereich der Kabel und Steckverbinder an, um ohne Beeinträchtigung der Signalintegrität leichtere Verbindungen mit höherer Dichte realisieren zu können. In den 1980er Jahren wurde jedoch deutlich, dass das Anheben der Aderzahl mit dem Ziel, mehr Signale zu unterstützen, nicht beliebig fortsetzbar war.

Gefragt war somit eine Lösung, die die Zahl der Adern reduzieren und die Kabel leichter machen konnte. Die Robert Bosch GmbH begann an einer Methode zur seriellen Verbindung von Sensoren und elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Units; ECUs) zu arbeiten. Diese sollte die Verkabelung vereinfachen, indem mehrere Sensoren über einen gemeinsamen Bus kommunizieren konnten. Dieses Konzept wurde später von der SAE (Society of Automotive Engineers) aufgegriffen und 1986 in der Norm ISO 11898 herausgegeben, die gemeinhin als Controller Area Network oder CAN-Bus bekannt ist.

Konsolidierung des Datentransports

Die aktuelle Norm ISO 11898 unterstützt bis zu 30 Knoten an einem einzelnen Bus, und zwar mit einer Datenrate von 1 MBit/s und einer maximalen Länge von 40 Metern. Der CAN-Bus wurde zunächst für die Kommunikation mit allen Sensoren verwendet, die zur Überwachung von Motor und Getriebe benötigt wurden, denn es ging um die Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs.

zunehmender Weiterentwicklung der Fahrzeuge begannen die Hersteller, nach Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung zu suchen. Der Verzicht auf große Kabelbäume bildete hier einen guten Ansatzpunkt. Schalt-Knoten im Netzwerk ersetzten die schweren Kupferkabel, über die der Strom zu den Scheinwerfern und Rückleuchten gelangte. Indem man nur noch ein dickes Stromversorgungs-Kabel verlegt und dieses durch mehrere kleinere Signalleitungen für den CAN-Bus ergänzt, lässt sich das Gewicht erheblich verringern.

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