“CAN FD”對(duì)專用機(jī)械中的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)提出挑戰(zhàn)
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實(shí)時(shí)能力
將多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)包組合成單獨(dú)的報(bào)文使得數(shù)據(jù)管理更為簡(jiǎn)便，因?yàn)閱为?dú)的報(bào)文無(wú)需付出昂貴的成本即可同步。和傳統(tǒng)的CAN相比，能快速傳輸更大數(shù)據(jù)包的CAN FD所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（64個(gè)字節(jié)）是傳統(tǒng)8字節(jié)CAN報(bào)文的8倍左右。這樣，可以更快速地傳輸高優(yōu)先級(jí)報(bào)文，同時(shí)提高實(shí)時(shí)能力。
數(shù)據(jù)安全
數(shù)據(jù)安全是一個(gè)重要話題：盡管和傳統(tǒng)的CAN相比CAN FD增加了數(shù)據(jù)包的大小，但它同樣能滿足數(shù)據(jù)安全的要求，例如通過(guò)擁有適配算法的更長(zhǎng)的CRC校驗(yàn)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量可使用三種不同的CRC算法：在8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)文之前的CRC校驗(yàn)公式，以及兩個(gè)擁有16個(gè)或大于16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)文的加強(qiáng)版算法。CAN控制器使用的算法依數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼而定。
為了提高數(shù)據(jù)的安全性，還可采用額外的建議。所以，CAN FD報(bào)文中的CRC總是從一個(gè)填充位開(kāi)始；在5個(gè)位之后再新增一個(gè)填充位——這與CAN填充位規(guī)則相反，并與之前的位的位值相互獨(dú)立。每個(gè)填充位都是之前的位的補(bǔ)償值。
圖2：CAN FD 2的優(yōu)勢(shì)
圖2顯示了位于時(shí)間軸上的CAN報(bào)文：假設(shè)此處傳統(tǒng)的CAN的數(shù)據(jù)速率為250kBit/s。擁有8個(gè)字節(jié)用戶數(shù)據(jù)（1個(gè)字節(jié)的傳輸協(xié)議和示例中7個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)）和最大填充位數(shù)量的傳統(tǒng)CAN報(bào)文需要大約500微秒的總線時(shí)間。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)能連續(xù)無(wú)延遲地發(fā)送六幀報(bào)文，總線在傳輸42個(gè)字節(jié)用戶數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)完全阻塞3毫秒。相比之下，擁有48個(gè)字節(jié)用戶數(shù)據(jù)，250 kbit/s仲裁速率和2MBit/s數(shù)據(jù)比特率的CAN FD報(bào)文只需約365微秒的總線時(shí)間——其填充位的數(shù)量也是最大。更快的數(shù)據(jù)傳輸還提高了CAN系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行為，由于它大幅縮短了響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)傳輸速率并降低了數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜性！
反向兼容性
從CAN轉(zhuǎn)換到更快的通信系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是需要經(jīng)常完全轉(zhuǎn)換：所有與CAN相關(guān)的東西如EtherCAT等必須適配新的系統(tǒng)，還可擴(kuò)展機(jī)器控制器以使用多種不同的網(wǎng)絡(luò)。這兩種方式均有優(yōu)缺點(diǎn)。在使用CAN FD時(shí)，可采用“溫和”選項(xiàng)：由于CAN FD控制器也能作為傳統(tǒng)的CAN節(jié)點(diǎn)，所以所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可被CAN FD功能設(shè)備逐步取代。一旦整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都擁有了CAN FD功能，那么它的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)發(fā)揮到極致。這對(duì)專用機(jī)械尤其受用，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)使用無(wú)法被自由節(jié)點(diǎn)替換的網(wǎng)絡(luò)——特別是客戶特定的設(shè)備或內(nèi)部開(kāi)發(fā)的設(shè)備。
CAN FD的工具
現(xiàn)有大量解決方案可用于開(kāi)發(fā)CAN FD設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)——特別是適用范圍廣的PC接口的PC-CAN FD接口卡，如HMS網(wǎng)絡(luò)公司的IXXAT CAN -IB 500/600 PCIe卡。這些CAN卡包含全面的用于Windows、Linux和其它操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序包，并能方便地連接到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，還可將現(xiàn)有的軟件包快速添加到CAN FD網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樗鼈冎С諧AN和CAN FD。
除了需要驅(qū)動(dòng)程序軟件相關(guān)的硬件接口外，若想有效利用CAN FD還需要測(cè)試和分析工具。為此，HMS將在不久之后推出一款高性能完整解決方案，價(jià)格實(shí)惠，并采用知名的IXXAT canAnalyser的CAN FD功能版本。
在業(yè)界開(kāi)放CAN FD課題
除了上面提到的工具外，在生產(chǎn)環(huán)境中使用CAN FD還有更為重要的方面。明智的做法是在工業(yè)應(yīng)用中采用標(biāo)準(zhǔn)化的更高層的協(xié)議：非營(yíng)利組織CiA（CAN in Automaion）正致力于將CANopen總線轉(zhuǎn)換為CAN FD——CANopen V5規(guī)范，這包括對(duì)CAN FD的擴(kuò)展，預(yù)計(jì)可在今年年中推出。
采用CAN FD另一個(gè)重要方面在于它可以批量提供實(shí)惠的微控制器，并集成了CAN/CAN FD控制器。截至目前，現(xiàn)有的設(shè)備大多使用含CAN FD IP模塊的FPGA。另外，集成了CAN FD邏輯的微控制器通常為含有CPU模塊的高性能組件，可用于含復(fù)雜控制器設(shè)備的車輛。在推出簡(jiǎn)單且具有成本效益的CAN FD微控制器后，F(xiàn)PGA系統(tǒng)將成為最靈活的解決方案。
前景
CAN FD通過(guò)顯著提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，簡(jiǎn)單的配置以及保留傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線中的分析選項(xiàng)擴(kuò)大了CAN解決方案的應(yīng)用領(lǐng)域。即將推出的用于CAN FD的CANopen總線意味著新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將用于工業(yè)部門，并為100kbit/sec至5Mbit/sec數(shù)據(jù)傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)提供了有效的解決方案。由于可選用更高的數(shù)據(jù)速率或使用單獨(dú)/組合式擴(kuò)展數(shù)據(jù)框架，設(shè)計(jì)靈活的CAN FD非常適用于專用機(jī)械中適應(yīng)性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。
作者：Thomas Waggershauser
HMS集團(tuán)旗下IXXAT自動(dòng)化有限公司銷售總監(jiān)
HMS 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有限公司
HMS 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有限公司是工業(yè)通信，包括遠(yuǎn)程管理產(chǎn)品的領(lǐng)先獨(dú)立供應(yīng)商。 HMS 憑借Netbiter、Anybus和IXXAT品牌，開(kāi)發(fā)并制造聯(lián)接自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的解決方案。
開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)均在其位于瑞典哈爾姆斯塔德和德國(guó)魏恩加騰的總部進(jìn)行。 而本地銷售和支持，則由設(shè)置在中國(guó)、丹麥、法國(guó)、德國(guó)、印度、意大利、日本、英國(guó)和美國(guó)的分部提供。 HMS 有超過(guò)350名員工，且2013年銷售額為5700萬(wàn)歐元。 HMS 在斯德哥爾摩的納斯達(dá)克-OMX交易所上市。
評(píng)論