Die Entwicklung eingebetteter Systeme mit mehreren vernetzten Knoten stellt Entwickler vor vielfältige Herausforderungen. Besonders komplex wird es, wenn über Controller Area Network, kurz CAN, kommuniziert wird. Physische Hardware für jeden Knoten bereitzustellen, ist aufwändig und oft zeitintensiv. Hier eröffnet die CAN-Netzwerksimulation mit Apache NuttX auf einem Linux-Host neue Möglichkeiten. Die gesamte Netzwerkarchitektur lässt sich virtuell abbilden, getestet und optimiert werden, ohne dass physische Geräte benötigt werden.
Dieser Ansatz verbessert nicht nur den Entwicklungsfluss, sondern auch die Fehlersuche erheblich und beschleunigt die Markteinführung eingebetteter Lösungen. Die flexible und portable Architektur von NuttX erlaubt es Entwicklern, erstellte Anwendungen ohne große Anpassungen später auf echte Hardware zu übertragen und somit den Übergang vom Prototyp zum Produkt zu erleichtern. Apache NuttX bietet eine modulare und vielseitige Echtzeitbetriebssystemplattform, die sich ideal für eingebettete CAN-Anwendungen eignet. Durch die Kombination mit der SocketCAN-Schnittstelle des Linux-Kernels entsteht ein leistungsfähiges Ökosystem zur Simulation und Testung von CAN-Netzwerken. SocketCAN stellt virtuelle CAN-Schnittstellen bereit, welche als Kommunikationsbrücke zwischen den simulierten NuttX-Knoten und dem Hostsystem fungieren.
Auf diese Weise können mehrere NuttX-Instanzen, als eigenständige Knoten agierend, auf einem einzigen Entwicklungsrechner ausgeführt werden und über ein gemeinsames virtuelles CAN-Bus-System Daten austauschen. Besonders praktisch ist dies bei Anwendungen, die Herzschlag-Signale oder Zustandsänderungen von Eingabegeräten wie Tastern auf verschiedenen Modulen über CAN verteilen müssen. Eine realistische Simulation erfordert neben der Netzwerkschnittstelle auch das Nachbilden von Hardware-spezifischen Funktionen. Da in der simulierten Umgebung keine echten GPIOs verfügbar sind, müssen Eingabegeräte und Ausgaben, etwa Tasterzustände oder LED-Anzeigen, softwareseitig realisiert werden. Ein bewährter Ansatz besteht darin, den Status von Buttons zufällig zu generieren und LED-Statusänderungen als Konsolenausgaben sichtbar zu machen.
Diese Methode erleichtert die Entwicklung, während alle CAN-Kommunikationsmechanismen unverändert bleiben. Alternativ können auch spezielle simulierte Treiber implementiert werden, die die Hardware-Interfaces virtuell abbilden und die Applikationslogik so noch näher an produktionsrelevante Umgebungen heranführen. Die Unterstützung von CAN-Hardware in Apache NuttX umfasst neben der Simulatorumgebung auch Emulationen über PCI-basierte CAN-Karten, die innerhalb der QEMU-Virtualisierung betrieben werden. Zwei verbreitete Optionen sind die Kvaser PCI CAN-S-Karte, basierend auf dem SJA1000-Controller, welche reine CAN 2.0 Kommunikation unterstützt, sowie die CTU CAN FD-Karte.
Letztere deckt auch den moderneren CAN FD-Standard ab und bietet damit größere Flexibilität für anspruchsvollere Anwendungen. Innerhalb von QEMU lassen sich diese Geräte über spezielle Kommandozeilenparameter aktivieren und mit virtuellen SocketCAN-Schnittstellen koppeln, um die Kommunikation mit den NuttX-Gastsystemen herzustellen. Für die Konfiguration der NuttX-Instanzen ist es notwendig, die verschiedenen Optionen für CAN-Schnittstellen sorgfältig anzupassen. Der Simulator erlaubt sowohl den Betrieb über klassische Charakter-Gerätetreiber als auch über SocketCAN. Dabei sind die entsprechenden Kconfig-Einstellungen wie CONFIG_SIM_CANDEV_CHAR für die Charakter-Geräteversion beziehungsweise CONFIG_SIM_CANDEV_SOCK für den SocketCAN-Betrieb zu setzen.
Neben den Netzwerkeinstellungen muss auch auf die Unterstützung erweiterter CAN-IDs geachtet werden, welche insbesondere in multi-node Umgebungen mit vielen Teilnehmern relevant sind. Bei QEMU ist die Konfiguration ähnlich, allerdings wird hier häufig der CTU CAN FD PCI-Treiber mit CONFIG_CAN_CTUCANFD verwendet, um die volle Funktionalität der CAN-Hardware zu simulieren. Das Einrichten der virtuellen CAN-Umgebung auf dem Linux-Host ist ein wichtiger Schritt zur erfolgreichen Emulation. Mit einfachen Linux-Kommandos lässt sich eine virtuelle CAN-Schnittstelle, beispielsweise can0 vom Typ vcan, anlegen und aktivieren. Diese Schnittstelle dient als zentraler Backbone für die übertragenen Nachrichten zwischen den verschiedenen Simulationsinstanzen.
Sobald die virtuelle Schnittstelle bereitsteht, können die NuttX-Images in QEMU oder der Simulator mit den passenden QEMU-Parametern gestartet werden, die eine Verbindung zu can0 herstellen und so die virtuelle CAN-Kommunikation ermöglichen. Die Möglichkeit, den gesamten CAN-Bus auf dem Entwicklungssystem zu simulieren, eröffnet eine Reihe von Vorteilen. Entwickler können komplexe Szenarien mit mehreren Knoten parallel ausführen und so das Zusammenspiel der Geräte unter realistischen Bedingungen untersuchen, ohne auf mehrere physische Embedded Boards angewiesen zu sein. Das verkürzt den Entwicklungszyklus erheblich, weil Probleme frühzeitig erkannt und softwareseitig behoben werden können. Zudem erleichtert die vollständige Sichtbarkeit des CAN-Datenverkehrs auf der Host-Maschine das Debugging, da Tools wie candump oder cansend nahtlos genutzt werden können.
Die Kombination von NuttX, QEMU und SocketCAN ermöglicht zudem eine flexible Integration weiterer Teilnehmer - etwa Linux-basierte Steuerrechner oder Automatisierungsskripte - die als Netzwerkmaster oder analoge Knoten in das System eingebunden sind. Darüber hinaus ist die simulierte Umgebung ideal, um automatisierte Testverfahren zu implementieren. Lösungen wie python-can bieten Python-Schnittstellen zur Überwachung, Interpretation und Steuerung von CAN-Frames. So können Testfälle für Knotenfunktionen, Nachrichtenintegrität und Timing-Verhalten automatisch aufgesetzt und wiederholt ablaufen, was die Qualität und Robustheit der eingebetteten Software spürbar erhöht. Auch die Verknüpfung mit professionellen SIL-Kits ermöglicht weiterführende Verifikationsstufen und bietet Perspektiven für eine Zertifizierbarkeit von CAN-Anwendungen.
Die Flexibilität der Simulation über SocketCAN erlaubt außerdem den hybriden Betrieb zwischen virtuellen und realen CAN-Netzwerken. Werkzeuge wie cangw schaffen die Brücke, um den Datenverkehr aus der Simulation mit echten CAN-Knoten in der Produktion oder im Prüfstand zu verbinden. Dieser Ansatz ist insbesondere für die Integrationstests im realen Umfeld oder für die schrittweise Migration von Prototypen zu Feldgeräten wertvoll. Obwohl die QEMU- und Simulator-Frameworks im Bereich der Peripherie-Emulation aktuell noch gewisse Einschränkungen aufweisen, etwa bei der Detailtiefe der Hardwarezugriffe, bietet die stetige Erweiterung der Infrastruktur vielversprechende Möglichkeiten für die Zukunft. Zusammenfassend zeigt sich, dass die CAN-Netzwerksimulation mit Apache NuttX auf Linux-Basis eine effiziente, flexible und leistungsfähige Umgebung für die Entwicklung und das Testen moderner eingebetteter Systeme darstellt.
Durch das vollständig virtuelle Setup können Entwicklungszeiten verkürzt, Fehler frühzeitig entdeckt und der Softwareentwicklungsprozess deutlich optimiert werden. Gleichzeitig ist dank der guten Portierbarkeit von NuttX gewährleistet, dass ausgereifte Anwendungen einfach auf reale Systeme übertragen werden können. Diese Kombination aus Simulation, flexibler Hardwareemulation und leistungsfähigen Entwicklerwerkzeugen macht Apache NuttX zu einer wertvollen Plattform im Bereich der CAN-basierten Embedded-Entwicklung. Für zukünftige Projekte verspricht die Erweiterung um fortgeschrittene Protokolle wie CANopen und die Einbindung spezialisierter Stacks, beispielsweise des Lely CANopen Stacks, noch umfassendere Möglichkeiten der Simulation und Integration. Die Kombination aus offener Software, virtueller Netzwerktechnik und modularer Echtzeitarchitektur stellt einen wichtigen Meilenstein dar, mit dem Hersteller und Entwickler nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger und sicherer innovative Produkte realisieren können.
Wer Embedded-Systeme mit CAN-Technologie entwickelt, sollte die Vorteile einer Simulation mit Apache NuttX auf Linux-Hosts daher unbedingt in Betracht ziehen.
