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“CAN FD”對專用機械中的現場總線和工業以太網提出挑戰 [2015/1/16]

“CAN FD”對專用機械中的現場總線和工業以太網提出挑戰 
實時能力 将多個獨立的數據包組合成單獨的報文使得數據管理更為簡便,因為單獨的報文無需付出昂貴的成本即可同步。和傳統的CAN相比,能快速傳輸更大數據包的CAN FD所傳輸的數據量(64個字節)是傳統8字節CAN報文的8倍左右。


實時能力

将多個獨立的數據包組合成單獨的報文使得數據管理更為簡便,因為單獨的報文無需付出昂貴的成本即可同步。和傳統的CAN相比,能快速傳輸更大數據包的CAN FD所傳輸的數據量(64個字節)是傳統8字節CAN報文的8倍左右。這樣,可以更快速地傳輸高優先級報文,同時提高實時能力。

數據安全

數據安全是一個重要話題:盡管和傳統的CAN相比CAN FD增加了數據包的大小,但它同樣能滿足數據安全的要求,例如通過擁有适配算法的更長的CRC校驗碼來實現。根據傳輸數據字節的數量可使用三種不同的CRC算法:在8個字節數據報文之前的CRC校驗公式,以及兩個擁有16個或大于16個字節數據報文的加強版算法。CAN控制器使用的算法依數據長度代碼而定。

為了提高數據的安全性,還可采用額外的建議。所以,CAN FD報文中的CRC總是從一個填充位開始;在5個位之後再新增一個填充位――這與CAN填充位規則相反,并與之前的位的位值相互獨立。每個填充位都是之前的位的補償值。
位于時間軸上的CAN報文:假設此處傳統的CAN的數據速率為250kBit/s。擁有8個字節用戶數據(1個字節的傳輸協議和示例中7個字節的用戶數據)和最大填充位數量的傳統CAN報文需要大約500微秒的總線時間。如果發送節點能連續無延遲地發送六幀報文,總線在傳輸42個字節用戶數據時會完全阻塞3毫秒。相比之下,擁有48個字節用戶數據,250 kbit/s仲裁速率和2MBit/s數據比特率的CAN FD報文隻需約365微秒的總線時間――其填充位的數量也是最大。更快的數據傳輸還提高了CAN系統的實時行為,由于它大幅縮短了響應時間,同時提高了數據傳輸速率并降低了數據管理的複雜性!

反向兼容性

從CAN轉換到更快的通信系統的一個缺點是需要經常完全轉換:所有與CAN相關的東西如EtherCAT等必須适配新的系統,還可擴展機器控制器以使用多種不同的網絡。這兩種方式均有優缺點。在使用CAN FD時,可采用“溫和”選項:由于CAN FD控制器也能作為傳統的CAN節點,所以所有的網絡節點可被CAN FD功能設備逐步取代。一旦整個網絡都擁有了CAN FD功能,那麼它的優點将會發揮到極緻。這對專用機械尤其受用,因為它們通常會使用無法被自由節點替換的網絡――特别是客戶特定的設備或内部開發的設備。

CAN FD的工具

現有大量解決方案可用于開發CAN FD設備和網絡――特别是适用範圍廣的PC接口的PC-CAN FD接口卡,如HMS網絡公司的IXXAT CAN -IB 500/600 PCIe卡。這些CAN卡包含全面的用于Windows、Linux和其它操作系統的驅動程序包,并能方便地連接到現有的系統中,還可将現有的軟件包快速添加到CAN FD網絡中,因為它們支持CAN和CAN FD。

除了需要驅動程序軟件相關的硬件接口外,若想有效利用CAN FD還需要測試和分析工具。為此,HMS将在不久之後推出一款高性能完整解決方案,價格實惠,并采用知名的IXXAT canAnalyser的CAN FD功能版本。

在業界開放CAN FD課題

除了上面提到的工具外,在生産環境中使用CAN FD還有更為重要的方面。明智的做法是在工業應用中采用标準化的更高層的協議:非營利組織CiA(CAN in Automaion)正緻力于将CANopen總線轉換為CAN FD――CANopen V5規範,這包括對CAN FD的擴展,預計可在今年年中推出。

采用CAN FD另一個重要方面在于它可以批量提供實惠的微控制器,并集成了CAN/CAN FD控制器。截至目前,現有的設備大多使用含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,可用于含複雜控制器設備的車輛。在推出簡單且具有成本效益的CAN FD微控制器後,FPGA系統将成為最靈活的解決方案。

前景

CAN FD通過顯著提高數據的傳輸速率,簡單的配置以及保留傳統現場總線中的分析選項擴大了CAN解決方案的應用領域。即将推出的用于CAN FD的CANopen總線意味着新的網絡系統将用于工業部門,并為100kbit/sec至5Mbit/sec數據傳輸速率的網絡提供了有效的解決方案。由于可選用更高的液位計液位變送器電容式液位計電容式液位變送器的數據速率或使用單獨/組合式擴展數據框架,設計靈活的CAN FD非常适用于專用機械中适應性強的現場總線系統。
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