“CAN FD”對專用機(jī)械中的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)提出挑戰(zhàn)

CAN FD為現(xiàn)有CAN系統(tǒng)和技術(shù)的應(yīng)用提供了機(jī)會，即使是在節(jié)點數(shù)量、傳輸速率和周期時間要求很高的情況下。接下來，HMS公司Thomas Waggershauser將為您解釋個中原因。

CAN系統(tǒng)常用于專用機(jī)械——無論是CANopen等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議還是專門的解決方案。CAN網(wǎng)絡(luò)機(jī)器的優(yōu)勢包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，價格實惠，應(yīng)用高度靈活，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)極易擴(kuò)展以及在系統(tǒng)發(fā)生故障時便于分析。

CAN FD的可行性應(yīng)用

對節(jié)點數(shù)量、傳輸速率和周期時間不斷增長的需求正遭遇瓶頸，傳統(tǒng)CAN（8字節(jié)數(shù)據(jù)和1 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率）的局限性無法突破：依賴網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)傳輸速率和長度短的數(shù)據(jù)服務(wù)以及模擬數(shù)據(jù)在此尤為突出。

在日常應(yīng)用中，這些限制往往在妥協(xié)中被規(guī)避：該系統(tǒng)在各種應(yīng)用中被劃分為不同網(wǎng)段，甚至形成并行網(wǎng)絡(luò)，這意味著現(xiàn)有的技術(shù)已漸漸失效，這通常會導(dǎo)致解決方案在配置、安裝和維護(hù)方面變得復(fù)雜且昂貴。在原則上，更換高性能工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)是可行的。但這通常需要增加投資，改變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及配置的思維模式，尤其是那些受時間控制的系統(tǒng)，這通常為范圍廣的網(wǎng)絡(luò)帶來巨大挑戰(zhàn)。此外，在開發(fā)、調(diào)試和服務(wù)方面需更換工具，這往往阻礙了用戶進(jìn)行全面更換。

同時，用戶還想通過一種有用的方式繼續(xù)使用現(xiàn)有的技術(shù)。

此時CAN FD起到重要作用：CAN FD（擁有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN）是博世在2012年推出的著名的“經(jīng)典”CAN的擴(kuò)展版本，它顯著擴(kuò)展了可用的數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)長度。另一方面繼續(xù)保留了嘗試和測試CAN的概念：在報文ID的基礎(chǔ)上仲裁，事件驅(qū)動報文調(diào)度，以及通過確認(rèn)位來確認(rèn)報文是否接收。

提高了數(shù)據(jù)傳輸速率

傳統(tǒng)的CAN通過接收器來確認(rèn)報文是否接否，這為確認(rèn)發(fā)送的報文是否傳輸成功提供了諸多優(yōu)勢——可迅速檢測潛在的傳輸錯誤，也可快速重發(fā)數(shù)據(jù)。

建立在CAN識別碼基礎(chǔ)上的報文仲裁同樣為控制應(yīng)用帶來多種優(yōu)勢，避免了數(shù)據(jù)傳輸過程中的沖突，并為高優(yōu)先級報文提供了更短的時延，即使是在較高的總線負(fù)載下。

該方法的不足之處是在采樣時同一總線電平需在所有節(jié)點上，以避免故障。因此，位間隔必須為網(wǎng)絡(luò)中相隔最遠(yuǎn)的兩個節(jié)點提供足夠的信號傳播時間，包括總線的激活時間。位間隔和數(shù)據(jù)速率因此也直接依賴于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展；擴(kuò)展至40米時速率可達(dá)1Mbit/s，但擴(kuò)展至250米時速率會下降至250 kBit/s。

為顯著提高數(shù)據(jù)速率而不改變現(xiàn)有的通信技術(shù)，CAN FD適用于兩種不同的比特率。用于控制命令的“仲裁率”（包括仲裁、報文類型、終端檢測和確認(rèn)器）取決于傳播速度及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。相比之下，還可選用第二種“數(shù)據(jù)比特率”——用于數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)安全性。在這個時間點上，只有報文發(fā)送器占用總線，這表示無需位時間內(nèi)的直接反饋。因此，要獲得最大的數(shù)據(jù)速率取決于傳輸介質(zhì)的傳輸特性，而非信號傳播。CAN FD網(wǎng)絡(luò)目前可供生產(chǎn)使用的速率是8 MBit/s，因此CAN FD標(biāo)準(zhǔn)為15 Mbit/s。這一比特率也被成功用于各種測試系統(tǒng)。

這兩種數(shù)據(jù)速率可通過CAN FD控制器中的兩個位定時寄存器來分別設(shè)置，還可通過協(xié)議中的兩個控制位來完成相互之間的轉(zhuǎn)換。保留至此的第一個位用作“擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度”位（EDL），并因其隱性電平來定義CAN FD報文。實際的比特率轉(zhuǎn)換則由新增的比特——“位速率開關(guān)位”（BRS）來實現(xiàn)，它能在采樣時切換至較高的比特率，并在采樣CRC限制位時切換回來。

圖1：CAN FD-1的優(yōu)勢：在該實例中共傳輸了42個字節(jié)的配置數(shù)據(jù)。若在傳統(tǒng)的CAN中做到這一點需使用能傳輸8個字節(jié)報文數(shù)據(jù)量的傳輸協(xié)議。該實例建立在傳輸協(xié)議模型的基礎(chǔ)上，僅使用第一個數(shù)據(jù)字節(jié)來控制數(shù)據(jù)流。這意味著，每幀CAN報文仍可多達(dá)7個字節(jié)。根據(jù)所實施的傳輸協(xié)議，需使用額外的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行控制。在此之下，通過比較，擁有48個字節(jié)用戶數(shù)據(jù)的單幀CAN FD報文可代替所需的6幀傳統(tǒng)的CAN報文。由于上述CAN FD中能以更高的比特率傳輸數(shù)據(jù)，所以它比傳統(tǒng)的CAN報文需要的總線時間更短。此外，此處使用單獨的CAN FD報文顯著簡化了數(shù)據(jù)流的管理。擴(kuò)展了用戶數(shù)據(jù)

由于仍通過眾所周知的更低的比特率來傳輸控制數(shù)據(jù)，因此限制了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)速率。將用戶數(shù)據(jù)場增至64個字節(jié)可在快速傳輸模式下發(fā)送更多數(shù)據(jù)，從而有效地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

傳統(tǒng)的CAN僅提供8個數(shù)據(jù)字節(jié)，已無法滿足高精度模擬值的傳輸或通過不同編碼值和驅(qū)動命令來控制多軸機(jī)器人等多種數(shù)據(jù)應(yīng)用。為此，必須增加服務(wù)數(shù)據(jù)，這在目前為止大大降低了有效性，由于傳輸協(xié)議的傳輸需多于8個字節(jié)。

CAN FD現(xiàn)可提供多達(dá)64個數(shù)據(jù)字節(jié)。這樣，可在一幀報文中發(fā)送更大的數(shù)據(jù)塊——特別是在處理數(shù)據(jù)的情況下，現(xiàn)在僅使用一幀過程報文就能完全控制更復(fù)雜的設(shè)備。這也削弱了數(shù)據(jù)服務(wù)傳輸協(xié)議的必要性，因為通常只有在配置數(shù)據(jù)和類比時才需要單幀CAN FD報文。

為防止擴(kuò)展不必要的控制數(shù)據(jù)，CAN FD僅使用4位數(shù)據(jù)碼——直接從傳統(tǒng)的CAN中取用0到8的值。截至目前未定義的值（9至15，即1001至1111）被用于新的擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度：除了0到8個字節(jié)外，現(xiàn)在還可用12、16、20、24、32、48和64字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。其它數(shù)據(jù)長度則無法實現(xiàn)，也就是說，未使用的數(shù)據(jù)場必須用“填充值”來填充。

除了能快速傳輸數(shù)據(jù)場外，CAN FD還顯著增加了能有效使用的數(shù)據(jù)速率，并大大減少了周期時間。在這種方式下，擁有500 kBit仲裁速率、4 MBit數(shù)據(jù)傳輸速率和64個字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN FD網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到超過500 MBit/s的有效數(shù)據(jù)速率。