“CAN FD”对专用机械中的现场总线和工业以太网提出挑战 - 文章

“CAN FD”对专用机械中的现场总线和工业以太网提出挑战

作者：HMS公司

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CAN FD为现有CAN系统和技术的应用提供了机会，即使是在节点数量、传输速率和周期时间要求很高的情况下。接下来，HMS公司Thomas Waggershauser将为您解释个中原因。

CAN系统常用于专用机械——无论是CANopen等标准化协议还是专门的解决方案。CAN网络机器的优势包括网络数据结构简单，价格实惠，应用高度灵活，现有网络极易扩展以及在系统发生故障时便于分析。

CAN FD的可行性应用

对节点数量、传输速率和周期时间不断增长的需求正遭遇瓶颈，传统CAN（8字节数据和1 Mbit/s的数据速率）的局限性无法突破：依赖网络扩展的数据传输速率和长度短的数据服务以及模拟数据在此尤为突出。

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在日常应用中，这些限制往往在妥协中被规避：该系统在各种应用中被划分为不同网段，甚至形成并行网络，这意味着现有的技术已渐渐失效，这通常会导致解决方案在配置、安装和维护方面变得复杂且昂贵。在原则上，更换高性能工业以太网的技术是可行的。但这通常需要增加投资，改变数据结构及配置的思维模式，尤其是那些受时间控制的系统，这通常为范围广的网络带来巨大挑战。此外，在开发、调试和服务方面需更换工具，这往往阻碍了用户进行全面更换。

同时，用户还想通过一种有用的方式继续使用现有的技术。

此时CAN FD起到重要作用：CAN FD（拥有灵活数据速率的CAN）是博世在2012年推出的著名的“经典”CAN的扩展版本，它显著扩展了可用的数据速率和数据长度。另一方面继续保留了尝试和测试CAN的概念：在报文ID的基础上仲裁，事件驱动报文调度，以及通过确认位来确认报文是否接收。

提高了数据传输速率

传统的CAN通过接收器来确认报文是否接否，这为确认发送的报文是否传输成功提供了诸多优势——可迅速检测潜在的传输错误，也可快速重发数据。

建立在CAN识别码基础上的报文仲裁同样为控制应用带来多种优势，避免了数据传输过程中的冲突，并为高优先级报文提供了更短的时延，即使是在较高的总线负载下。

该方法的不足之处是在采样时同一总线电平需在所有节点上，以避免故障。因此，位间隔必须为网络中相隔最远的两个节点提供足够的信号传播时间，包括总线的激活时间。位间隔和数据速率因此也直接依赖于网络的扩展；扩展至40米时速率可达1Mbit/s，但扩展至250米时速率会下降至250 kBit/s。

为显著提高数据速率而不改变现有的通信技术，CAN FD适用于两种不同的比特率。用于控制命令的“仲裁率”（包括仲裁、报文类型、终端检测和确认器）取决于传播速度及网络扩展。相比之下，还可选用第二种“数据比特率”——用于数据内容和数据安全性。在这个时间点上，只有报文发送器占用总线，这表示无需位时间内的直接反馈。因此，要获得最大的数据速率取决于传输介质的传输特性，而非信号传播。CAN FD网络目前可供生产使用的速率是8 MBit/s，因此CAN FD标准为15 Mbit/s。这一比特率也被成功用于各种测试系统。

这两种数据速率可通过CAN FD控制器中的两个位定时寄存器来分别设置，还可通过协议中的两个控制位来完成相互之间的转换。保留至此的第一个位用作“扩展数据长度”位（EDL），并因其隐性电平来定义CAN FD报文。实际的比特率转换则由新增的比特——“位速率开关位”（BRS）来实现，它能在采样时切换至较高的比特率，并在采样CRC限制位时切换回来。

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图1：CAN FD-1的优势：在该实例中共传输了42个字节的配置数据。若在传统的CAN中做到这一点需使用能传输8个字节报文数据量的传输协议。该实例建立在传输协议模型的基础上，仅使用第一个数据字节来控制数据流。这意味着，每帧CAN报文仍可多达7个字节。根据所实施的传输协议，需使用额外的数据字段进行控制。在此之下，通过比较，拥有48个字节用户数据的单帧CAN FD报文可代替所需的6帧传统的CAN报文。由于上述CAN FD中能以更高的比特率传输数据，所以它比传统的CAN报文需要的总线时间更短。此外，此处使用单独的CAN FD报文显著简化了数据流的管理。

扩展了用户数据

由于仍通过众所周知的更低的比特率来传输控制数据，因此限制了现有的数据速率。将用户数据场增至64个字节可在快速传输模式下发送更多数据，从而有效地提高了数据的传输速率。

传统的CAN仅提供8个数据字节，已无法满足高精度模拟值的传输或通过不同编码值和驱动命令来控制多轴机器人等多种数据应用。为此，必须增加服务数据，这在目前为止大大降低了有效性，由于传输协议的传输需多于8个字节。

CAN FD现可提供多达64个数据字节。这样，可在一帧报文中发送更大的数据块——特别是在处理数据的情况下，现在仅使用一帧过程报文就能完全控制更复杂的设备。这也削弱了数据服务传输协议的必要性，因为通常只有在配置数据和类比时才需要单帧CAN FD报文。

为防止扩展不必要的控制数据，CAN FD仅使用4位数据码——直接从传统的CAN中取用0到8的值。截至目前未定义的值（9至15，即1001至1111）被用于新的扩展数据长度：除了0到8个字节外，现在还可用12、16、20、24、32、48和64字节的用户数据。其它数据长度则无法实现，也就是说，未使用的数据场必须用“填充值”来填充。

除了能快速传输数据场外，CAN FD还显著增加了能有效使用的数据速率，并大大减少了周期时间。在这种方式下，拥有500 kBit仲裁速率、4 MBit数据传输速率和64个字节数据的CAN FD网络可达到超过500 MBit/s的有效数据速率。

实时能力

将多个独立的数据包组合成单独的报文使得数据管理更为简便，因为单独的报文无需付出昂贵的成本即可同步。和传统的CAN相比，能快速传输更大数据包的CAN FD所传输的数据量（64个字节）是传统8字节CAN报文的8倍左右。这样，可以更快速地传输高优先级报文，同时提高实时能力。

数据安全

数据安全是一个重要话题：尽管和传统的CAN相比CAN FD增加了数据包的大小，但它同样能满足数据安全的要求，例如通过拥有适配算法的更长的CRC校验码来实现。根据传输数据字节的数量可使用三种不同的CRC算法：在8个字节数据报文之前的CRC校验公式，以及两个拥有16个或大于16个字节数据报文的加强版算法。CAN控制器使用的算法依数据长度代码而定。

为了提高数据的安全性，还可采用额外的建议。所以，CAN FD报文中的CRC总是从一个填充位开始；在5个位之后再新增一个填充位——这与CAN填充位规则相反，并与之前的位的位值相互独立。每个填充位都是之前的位的补偿值。

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图2：CAN FD 2的优势

图2显示了位于时间轴上的CAN报文：假设此处传统的CAN的数据速率为250kBit/s。拥有8个字节用户数据（1个字节的传输协议和示例中7个字节的用户数据）和最大填充位数量的传统CAN报文需要大约500微秒的总线时间。如果发送节点能连续无延迟地发送六帧报文，总线在传输42个字节用户数据时会完全阻塞3毫秒。相比之下，拥有48个字节用户数据，250 kbit/s仲裁速率和2MBit/s数据比特率的CAN FD报文只需约365微秒的总线时间——其填充位的数量也是最大。更快的数据传输还提高了CAN系统的实时行为，由于它大幅缩短了响应时间，同时提高了数据传输速率并降低了数据管理的复杂性！

反向兼容性

从CAN转换到更快的通信系统的一个缺点是需要经常完全转换：所有与CAN相关的东西如EtherCAT等必须适配新的系统，还可扩展机器控制器以使用多种不同的网络。这两种方式均有优缺点。在使用CAN FD时，可采用“温和”选项：由于CAN FD控制器也能作为传统的CAN节点，所以所有的网络节点可被CAN FD功能设备逐步取代。一旦整个网络都拥有了CAN FD功能，那么它的优点将会发挥到极致。这对专用机械尤其受用，因为它们通常会使用无法被自由节点替换的网络——特别是客户特定的设备或内部开发的设备。

CAN FD的工具

现有大量解决方案可用于开发CAN FD设备和网络——特别是适用范围广的PC接口的PC-CAN FD接口卡，如HMS网络公司的IXXAT CAN -IB 500/600 PCIe卡。这些CAN卡包含全面的用于Windows、Linux和其它操作系统的驱动程序包，并能方便地连接到现有的系统中，还可将现有的软件包快速添加到CAN FD网络中，因为它们支持CAN和CAN FD。

除了需要驱动程序软件相关的硬件接口外，若想有效利用CAN FD还需要测试和分析工具。为此，HMS将在不久之后推出一款高性能完整解决方案，价格实惠，并采用知名的IXXAT canAnalyser的CAN FD功能版本。

在业界开放CAN FD课题

除了上面提到的工具外，在生产环境中使用CAN FD还有更为重要的方面。明智的做法是在工业应用中采用标准化的更高层的协议：非营利组织CiA（CAN in Automaion）正致力于将CANopen总线转换为CAN FD——CANopen V5规范，这包括对CAN FD的扩展，预计可在今年年中推出。

采用CAN FD另一个重要方面在于它可以批量提供实惠的微控制器，并集成了CAN/CAN FD控制器。截至目前，现有的设备大多使用含CAN FD IP模块的FPGA。另外，集成了CAN FD逻辑的微控制器通常为含有CPU模块的高性能组件，可用于含复杂控制器设备的车辆。在推出简单且具有成本效益的CAN FD微控制器后，FPGA系统将成为最灵活的解决方案。

前景

CAN FD通过显著提高数据的传输速率，简单的配置以及保留传统现场总线中的分析选项扩大了CAN解决方案的应用领域。即将推出的用于CAN FD的CANopen总线意味着新的网络系统将用于工业部门，并为100kbit/sec至5Mbit/sec数据传输速率的网络提供了有效的解决方案。由于可选用更高的数据速率或使用单独/组合式扩展数据框架，设计灵活的CAN FD非常适用于专用机械中适应性强的现场总线系统。

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作者：Thomas Waggershauser
HMS集团旗下IXXAT自动化有限公司销售总监

HMS 工业网络有限公司

HMS 工业网络有限公司是工业通信，包括远程管理产品的领先独立供应商。 HMS 凭借Netbiter、Anybus和IXXAT品牌，开发并制造联接自动化设备和系统到工业网络的解决方案。

开发和生产均在其位于瑞典哈尔姆斯塔德和德国魏恩加腾的总部进行。而本地销售和支持，则由设置在中国、丹麦、法国、德国、印度、意大利、日本、英国和美国的分部提供。 HMS 有超过350名员工，且2013年销售额为5700万欧元。 HMS 在斯德哥尔摩的纳斯达克-OMX交易所上市。

作者：HMS公司 Thomas Waggershauser(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/2/2014)


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