CAN FD為現有CAN系統和技術的應用提供了機會，即使是在節點數量、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系統常用于專用機械——無論是CANopen等標準化協議還是專門的解決方案。CAN網絡機器的優勢包括網絡數據結構簡單，價格實惠，應用高度靈活，現有網絡極易擴展以及在系統發生故障時便于分析。

CAN FD的可行性應用

對節點數量、傳輸速率和周期時間不斷增長的需求正遭遇瓶頸，傳統CAN（8字節數據和1 Mbit/s的數據速率）的局限性無法突破：依賴網絡擴展的數據傳輸速率和長度短的數據服務以及模擬數據在此尤為突出。

在日常應用中，這些限制往往在妥協中被規避：該系統在各種應用中被劃分為不同網段，甚至形成并行網絡，這意味著現有的技術已漸漸失效，這通常會導致解決方案在配置、安裝和維護方面變得復雜且昂貴。在原則上，更換高性能工業以太網的技術是可行的。但這通常需要增加投資，改變數據結構及配置的思維模式，尤其是那些受時間控制的系統，這通常為范圍廣的網絡帶來巨大挑戰。此外，在開發、調試和服務方面需更換工具，這往往阻礙了用戶進行全面更換。

同時，用戶還想通過一種有用的方式繼續使用現有的技術。

此時CAN FD起到重要作用：CAN FD（擁有靈活數據速率的CAN）是博世在2012年推出的著名的“經典”CAN的擴展版本，它顯著擴展了可用的數據速率和數據長度。另一方面繼續保留了嘗試和測試CAN的概念：在報文ID的基礎上仲裁，事件驅動報文調度，以及通過確認位來確認報文是否接收。

提高了數據傳輸速率

傳統的CAN通過接收器來確認報文是否接否，這為確認發送的報文是否傳輸成功提供了諸多優勢——可迅速檢測潛在的傳輸錯誤，也可快速重發數據。

建立在CAN識別碼基礎上的報文仲裁同樣為控制應用帶來多種優勢，避免了數據傳輸過程中的沖突，并為高優先級報文提供了更短的時延，即使是在較高的總線負載下。

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

為顯著提高數據速率而不改變現有的通信技術，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、終端檢測和確認器）取決于傳播速度及網絡擴展。相比之下，還可選用第二種“數據比特率”——用于數據內容和數據安全性。在這個時間點上，只有報文發送器占用總線，這表示無需位時間內的直接反饋。因此，要獲得最大的數據速率取決于傳輸介質的傳輸特性，而非信號傳播。CAN FD網絡目前可供生產使用的速率是8 MBit/s，因此CAN FD標準為15 Mbit/s。這一比特率也被成功用于各種測試系統。

這兩種數據速率可通過CAN FD控制器中的兩個位定時寄存器來分別設置，還可通過協議中的兩個控制位來完成相互之間的轉換。保留至此的第一個位用作“擴展數據長度”位（EDL），并因其隱性電平來定義CAN FD報文。實際的比特率轉換則由新增的比特——“位速率開關位”（BRS）來實現，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的優勢：在該實例中共傳輸了42個字節的配置數據。若在傳統的CAN中做到這一點需使用能傳輸8個字節報文數據量的傳輸協議。該實例建立在傳輸協議模型的基礎上，僅使用第一個數據字節來控制數據流。這意味著，每幀CAN報文仍可多達7個字節。根據所實施的傳輸協議，需使用額外的數據字段進行控制。在此之下，通過比較，擁有48個字節用戶數據的單幀CAN FD報文可代替所需的6幀傳統的CAN報文。由于上述CAN FD中能以更高的比特率傳輸數據，所以它比傳統的CAN報文需要的總線時間更短。此外，此處使用單獨的CAN FD報文顯著簡化了數據流的管理。

擴展了用戶數據

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

傳統的CAN僅提供8個數據字節，已無法滿足高精度模擬值的傳輸或通過不同編碼值和驅動命令來控制多軸機器人等多種數據應用。為此，必須增加服務數據，這在目前為止大大降低了有效性，由于傳輸協議的傳輸需多于8個字節。

CAN FD現可提供多達64個數據字節。這樣，可在一幀報文中發送更大的數據塊——特別是在處理數據的情況下，現在僅使用一幀過程報文就能完全控制更復雜的設備。這也削弱了數據服務傳輸協議的必要性，因為通常只有在配置數據和類比時才需要單幀CAN FD報文。

為防止擴展不必要的控制數據，CAN FD僅使用4位數據碼——直接從傳統的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）被用于新的擴展數據長度：除了0到8個字節外，現在還可用12、16、20、24、32、48和64字節的用戶數據。其它數據長度則無法實現，也就是說，未使用的數據場必須用“填充值”來填充。

除了能快速傳輸數據場外，CAN FD還顯著增加了能有效使用的數據速率，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數據傳輸速率和64個字節數據的CAN FD網絡可達到超過500 MBit/s的有效數據速率。

實時能力

將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，例如通過擁有適配算法的更長的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個位之后再新增一個填充位——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。

圖2：CAN FD 2的優勢

圖2顯示了位于時間軸上的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報文只需約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復雜性！

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等必須適配新的系統，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，那么它的優點將會發揮到極致。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——特別是客戶特定的設備或內部開發的設備。

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——特別是適用范圍廣的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，還可將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將在不久之后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，在生產環境中使用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標準化的更高層的協議：非營利組織CiA（CAN in Automaion）正致力于將CANopen總線轉換為CAN FD——CANopen V5規范，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，可用于含復雜控制器設備的車輛。在推出簡單且具有成本效益的CAN FD微控制器后，FPGA系統將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。即將推出的用于CAN FD的CANopen總線意味著新的網絡系統將用于工業部門，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非常適用于專用機械中適應性強的現場總線系統。

作者：Thomas Waggershauser
HMS集團旗下IXXAT自動化有限公司銷售總監

HMS 工業網絡有限公司

HMS 工業網絡有限公司是工業通信，包括遠程管理產品的領先獨立供應商。 HMS 憑借Netbiter、Anybus和IXXAT品牌，開發并制造聯接自動化設備和系統到工業網絡的解決方案。

開發和生產均在其位于瑞典哈爾姆斯塔德和德國魏恩加騰的總部進行。 而本地銷售和支持，則由設置在中國、丹麥、法國、德國、印度、意大利、日本、英國和美國的分部提供。 HMS 有超過350名員工，且2013年銷售額為5700萬歐元。 HMS 在斯德哥爾摩的納斯達克-OMX交易所上市。

作者：HMS公司 Thomas Waggershauser(e