CAN FD如何滿足工業(yè)設(shè)備對(duì)高效數(shù)據(jù)通信的需求？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）作為CAN總線的升級(jí)版，CAN FD（CAN with Flexible Data rate）在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和帶寬方面做了明顯的拓展和增強(qiáng)，滿足工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用對(duì)高速通信的需求。在工業(yè)領(lǐng)域，CAN FD被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制和工業(yè)通信等場(chǎng)景。

CAN FD特征性能和注意事項(xiàng)

相比于傳統(tǒng)CAN協(xié)議，CAN FD最大的兩個(gè)特點(diǎn)是采用可變速率和單幀最長(zhǎng)64字節(jié)數(shù)據(jù)。通過(guò)將每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多支持64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，相比傳統(tǒng)CAN的8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，減少了相同數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，提升了傳輸效率。

可變速率具體表現(xiàn)為，CAN FD的控制位的首位由傳統(tǒng)CAN的RTR變?yōu)镽RS，該位始終是顯性（0）。第三個(gè)控制位在傳統(tǒng)CAN中屬于保留功能，在CAN FD變?yōu)镕DF，為隱性（1）。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，CAN FD從控制段中的BRS位到ACK段之前（含CRC分界符）為可變速率（理論最大可達(dá)12Mb/s），其余部分為原CAN總線用的速率。

從CAN升級(jí)到CAN FD，有一些新增的位字段，比如上面提到的FDF位、BRS位和ESI位。這里的ESI位為Error State Indicator位，用于指示發(fā)送節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)ESI位為顯性時(shí)，表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)；當(dāng)ESI位為隱性時(shí)，表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)。

雖然CAN FD是向后兼容傳統(tǒng)CAN的，不過(guò)傳統(tǒng)CAN應(yīng)用升級(jí)到CAN FD應(yīng)用時(shí)，也需要注意一些細(xì)節(jié)。比如，采樣點(diǎn)對(duì)通信的影響，當(dāng)傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?jí)到CAN FD網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，節(jié)點(diǎn)的軟/硬件均需要有所改變，收發(fā)機(jī)和控制器都需要選擇CAN FD對(duì)應(yīng)的。在控制器中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓黾恿薈AN FD節(jié)點(diǎn)之后，需要至少兩個(gè)通信CAN FD節(jié)點(diǎn)，增加了CAN FD節(jié)點(diǎn)，需要Classic CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置CAN ID的過(guò)濾功能，這樣就會(huì)避免出現(xiàn)錯(cuò)誤幀。

還有一個(gè)經(jīng)常遇到的是傳統(tǒng)CAN和CAN FD的共存問(wèn)題，未來(lái)的CAN網(wǎng)絡(luò)，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)存在著傳統(tǒng)CAN與CAN FD并存的情況。這部分需解決速率切換的問(wèn)題，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的節(jié)點(diǎn)會(huì)率先采用CAN FD，其他對(duì)實(shí)時(shí)要求不高的節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)使用傳統(tǒng)CAN。在這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，通信可以全部選擇由CAN FD路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)镃AN FD協(xié)議是先后兼容傳統(tǒng)CAN的。

CAN FD的工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，CAN FD通信被用于連接各種工業(yè)設(shè)備和傳感器。通過(guò)高速的數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率和維護(hù)效率。目前，CAN FD在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)擁有了完備的產(chǎn)品和方案支持。

首先，帶CAN FD接口的MCU選擇是非常豐富的，無(wú)論是德州儀器、瑞薩、英飛凌和恩智浦等國(guó)際大廠，還是賽元微、靈動(dòng)微、兆易創(chuàng)新等國(guó)內(nèi)廠商，都提供具有CAN FD接口的MCU，滿足工業(yè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。

以靈動(dòng)微電子MM32F0160系列MCU為例，該系列MCU具有一個(gè) FlexCAN 模塊，該模塊遵循ISO 11898-1標(biāo)準(zhǔn)、CAN FD和CAN 2.0B協(xié)議規(guī)范，不僅兼容傳統(tǒng)CAN，還支持CAN FD模式。在CAN FD模式下，可實(shí)現(xiàn)最高8 Mbps的FD模式通信速率，支持標(biāo)準(zhǔn)幀（11位標(biāo)識(shí)符）和擴(kuò)展幀（29位標(biāo)識(shí)符），支持最大64字節(jié)有效負(fù)載，并且具有非常靈活的用于傳輸和接收的郵箱系統(tǒng)。

再比如新唐科技帶CAN FD接口的MCU/MPU產(chǎn)品M253、M463、M467等，最高可支持到4路接口。其中，M467芯片通過(guò)4路CAN FD接口與多個(gè)電池包進(jìn)行通信，以獲取電池包數(shù)據(jù)。該應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的5Mbps以上傳輸速率，并采用新唐獨(dú)有的HyperBus外接HyperRam來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。相對(duì)于SRAM，HyperRam具有更低的功耗和成本。隨后，數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)口傳遞給監(jiān)測(cè)端進(jìn)行處理。

為了提升產(chǎn)品的易用性，處理器廠商也會(huì)通過(guò)自主研發(fā)或者合作研發(fā)來(lái)提供開(kāi)發(fā)板，比如MD9360核心板，搭載芯馳D9-Pro六核Cortex-A55處理器，主頻高達(dá)1.6GHz，支持16路串口、4路CAN FD及2路千兆網(wǎng)。這款核心板可用于工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制、工程機(jī)械和顯示終端等場(chǎng)景。

上述提到了CAN FD的收發(fā)，相關(guān)的方案也是非常豐富，比如德州儀器的TCAN3413和TCAN3414就是符合ISO 11898-2:2016高速CAN規(guī)范物理層要求的控制器局域網(wǎng) (CAN) FD收發(fā)器。此類(lèi)收發(fā)器具有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的電磁兼容性 (EMC)，適用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)5兆位/秒 (Mbps) 的傳統(tǒng)CAN和CAN FD網(wǎng)絡(luò)。這些器件可以在更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)8Mbps的運(yùn)行速度。德州儀器的TCAN3413和TCAN3414主要應(yīng)用場(chǎng)景包括工廠自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)運(yùn)輸、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

結(jié)語(yǔ)

在需要高速數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，如高速機(jī)器人控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等，CAN FD的需求還是比較強(qiáng)勁的，填補(bǔ)了傳統(tǒng)CAN和以太網(wǎng)之間的差距，無(wú)論MCU，還是收發(fā)器，抑或者是轉(zhuǎn)接口，目前工業(yè)級(jí)CAN FD的產(chǎn)品類(lèi)型是非常豐富的。