CAN-FD

Produkte für den erweiterten CAN-Standard


HMS Produkte und Dienstleistungen ermöglichen...

  • die Anbindung Ihres PCs an CAN-FD, für die PC-basierte Steuerung, Konfiguration und Analyse
  • die Vernetzung Ihrer Geräte und Systeme
  • die Analyse und die Wartung Ihres Systems
Was ist CAN-FD?
CAN FD Fachartikel in englischer Sprache
CAN FD Produkte und Dienstleistungen
PC Interfaces für CAN-FD
 

Verbinden Sie Ihren PC mit CAN-FD

Ixxat PC CAN Interfaces unterstützen sowohl das klassische CAN als auch das neue CAN-FD. Mit dem VCI-Treiber für Windows können kundenspezifische Anwendungen einfach und schnell realisiert werden.

  • Verfügbar in verschiedenen Formfaktoren und für eine Vielzahl von unterschiedlichen PC-Schnittstellenstandards
  • Windows Treiber-Pakete für kundenspezifische CAN- und CAN-FD-Anwendungen im Lieferumfang enthalten

PC CAN Interfaces für CAN-FD

 
CAN-FD Infrastruktur
 

Koppeln Sie Ihre Systeme und Geräte

Für die Kopplung von CAN- und CAN-FD-basierten Systemen bietet HMS ein großes Portfolio an Produkten an.

CANbridge NT

 
CAN Tools
 

Analyse und Konfiguration

Wir bieten eine breite Palette an Tools für die Entwicklung, die Inbetriebnahme und die Fehlersuche an.

  • canAnalyser – einfache Analyse, Übertragung und Aufzeichnung von CAN- und CAN FD-Nachrichten und Signalen

canAnalyser für CAN und CAN FD

CAN FD – eine kurze Einführung

 

Warum CAN FD?

Durch die aus den steigenden Anforderungen an Knotenanzahl, Übertragungsraten und Zykluszeiten resultierenden Engpässe kommt der klassische CAN mit maximal 8 Datenbytes und 1Mbit/s Datenrate an die Grenzen: Insbesondere bei die von der Netzwerkausdehnung abhängige Datenrate und die für Service- und auch Analogdaten kurze Datenlänge spielen hier eine Rolle.

In der täglichen Anwendung werden diese Einschränkungen häufig durch Kompromisse umgangen: In verschiedenen Anwendungen wurde durch die Unterteilung des Systems in verschiedene Netzsegmente oder gar parallelen Netzwerkführung die vorhandene Technik immer weiter ausgereizt, was oft zu komplexen und daher in Bezug auf Konfiguration, Einrichtung und Wartung teuren Lösungen geführt hat. Prinzipiell wäre ein Wechsel auf leistungsfähige Industrial Ethernet Technologien möglich. Die meist notwendigen höheren Investitionen, die Umstellung der Datenstrukturen und Denkweise für die Konfiguration, insbesondere bei zeitgesteuerten Systemen, stellen bei umfangreichen Netzwerken oftmals eine herausfordernde Aufgabe dar.  Zusätzlich ist ein Wechsel der Werkzeuge für Entwicklung, Inbetriebnahme und Service notwendig, was viele Anwender vor einem vollständigen Umstieg abschreckt.

Gleichzeitig ist der Wunsch vorhanden, das vorhandene Know-How sinnvoll weiter zu verwenden.

Hier kommt CAN FD ins Spiel: CAN FD (CAN with flexible data-rate) ist eine erweiterte Version des bekannten „klassischen“ CAN, welche 2012 von Bosch vorgestellt wurde und die verwendbare Datenrate sowie die Nutzdatenlänge deutlich erweitert. Auf der anderen Seite wurden bewährte Konzepte von CAN beibehalten: Die Arbitrierung anhand Botschaften-ID, ereignisgesteuerter Versand von Nachrichten und das Quittieren von empfangenen Nachrichten durch das Acknowledgement-Bit.

 

Gesteigerte Datenrate

Die beim klassischen CAN genutzte Quittierung einer Nachricht durch die Empfänger bietet verschiedenste Vorteile durch die Bestätigung des Sendeerfolgs innerhalb der Sendenachricht – mögliche Sendefehler werden schnell erkannt, die Daten können sehr schnell nochmals übertragen werden.

Auch die Arbitrierung der Nachrichten anhand des CAN-Identifier bietet mit der Vermeidung von Kollisionen während der Datenübertragung und der Bereitstellung von kurzen Latenzzeiten für hochpriore Nachrichten auch bei hoher Busbelastung Vorteile für Steuerungsanwendungen.

Nachteilig bei den verwendeten Methoden ist, dass zum Abtastzeitpunkt bei allen Netzknoten derselbe Buspegel anliegen muss, um Fehler zu verhindern. Somit muss ein Bitintervall ausreichend Signallaufzeit zwischen den beiden entferntesten Knoten im Netzwerk inklusive deren Busanschaltung zur Verfügung stellen. Daher ist das Bitintervall und somit die Datenrate direkt von der Netzwerkausdehnung abhängig – bei 40 m Ausdehnung sind bis zu 1 Mbit/s möglich, bei 250 m Ausdehnung jedoch nur noch 250 kBit/s.

Um die Datenrate deutlich zu erhöhen, ohne die vorhandenen Kommunikationstechniken zu ändern, arbeitet CAN FD mit zwei unterschiedlichen Bitraten: Eine „Arbitrierungsbitrate“ für die Steuerkommandos inklusive Arbitrierung, Nachrichtentyp, Endekennung und Quittierung, welche von der Ausbreitungsgeschwindigkeit und somit der Netzwerkausdehnung abhängig ist. Daneben findet optional eine zweite „Datenbitrate“ Verwendung, welche für den Dateninhalt und Datensicherung genutzt wird. Zu diesem Zeitpunkt belegt einzig der Nachrichtensender den Bus und daher ist keine direkte Rückmeldung innerhalb der Bitzeit notwendig. Damit ist die maximal erreichbare Datenrate nur von der Übertragungscharakteristik des Übertragungsmediums abhängig, jedoch nicht von der Signalausbreitung. CAN FD Netzwerke ermöglichen aktuell den produktiven Einsatz mit 8 MBit/s, wobei der CAN FD Standard bis 15 Mbit/s erlaubt und diese Bitrate auch erfolgreich in verschiedenen Testsystemen vorgestellt wurde. 

 

CAN-FD-Technology-Frame

Bild 1: In diesem Beispiel werden Konfigurationsdaten mit insgesamt 42 Byte übertragen. Damit dies im klassischen CAN möglich ist, muss ein Transportprotokoll implementiert werden, um die Gesamtmenge an Daten in 8 Byte-Nachrichten übertragen zu können. Dem Beispiel liegt ein modellhaftes Transportprotokoll zugrunde, welches nur das erste Datenbyte zur Steuerung des Datenstroms nutzt. Somit sind noch bis zu 7 Bytes für Nutzdaten je CAN-Nachricht verfügbar.  Je nach implementiertem Transportprotokoll können weitere Datenfelder für die Steuerung notwendig sein.
Im Vergleich darunter eine einzige CAN FD Nachricht mit 48 Byte Nutzdaten, welche die notwendigen 6 klassischen CAN Nachrichten ersetzen kann. Da bei der oben dargestellten CAN FD Nachricht zusätzlich die Daten mit einer  erhöhten Bitrate übertragen werden, benötigt diese CAN FD Nachricht deutlich weniger Buszeit als die klassischen CAN Nachrichten, zudem vereinfacht hier die Nutzung einer einzigen CAN FD Nachricht die Verwaltung des Datenstromes deutlich.
 

 

Die beiden Datenraten werden im CAN FD Controller über zwei Bit-Timing Register unabhängig voneinander eingestellt. Die Umschaltung zwischen den beiden Datenraten erfolgt durch zwei Steuerbits im Protokoll. Einerseits wird das bisher erste reservierte Bit als „Extended Data Length“ Bit (EDL) verwendet, welches durch seinen rezessiven Pegel eine CAN FD Nachricht definiert. Die eigentliche Bitratenumschaltung erfolgt durch ein neu hinzugefügtes Bit, das „Bit-Rate Switch“ Bit (BRS), in welchem am Abtastzeitpunkt auf die höhere Bitrate umgeschaltet wird. Das Zurückschalten erfolgt zum Abtastzeitpunkt des CRC-Begrenzungsbits.

 

Erweiterte Nutzdaten

Die Steuerdaten werden  weiterhin mit den bekannten niedrigen Bitraten übertragen und schränken so die erreichbaren Datenraten ein. Durch vergrößern des Nutzdatenbereichs auf bis zu 64 Byte  können im schnellen Übertragungsmodus mehr Daten versendet werden, was die effektive Datenrate erhöht.

Der klassische CAN bietet nur 8 Datenbytes an, welche für viele Anwendungsdaten nicht mehr ausreichend sind, z.B. bei der Übertragung von hochgenauen Analogwerten oder bei der Steuerung eines mehrachsigen Roboters mit seinen diversen Enkoderwerten und Antriebskommandos. Hinzu kommen Servicedaten, welche durch die notwendigen Transportprotokolle zur Übertragung von mehr als 8 Datenbytes die Effektivität bisher stark reduzieren.

CAN FD bietet nun die Möglichkeit, bis zu 64 Datenbytes zu nutzen. Hierdurch können größere Datenblöcke in nur einer Nachricht übertragen werden – insbesondere bei Prozessdaten können auch komplexere Geräte mit nur noch einer Prozessnachricht vollständig gesteuert werden. Bei Servicedaten wird die Notwendigkeit von Transportprotokollen verringert, da für Konfigurationsdaten und ähnliches oft nur noch eine einzelne CAN FD Nachricht notwendig ist.

CAN-FD-Technology-Time-Line

Bild 2: Hier die in Bild 1 dargestellten CAN-Nachrichten auf einem Zeitstrahl: Für den klassischen CAN wird hier eine Datenrate von 250 kBit/s angenommen. Bei Nachrichten mit 8 Bytes Nutzdaten (im Beispiel: 1 Byte für das Transportprotokoll, 7 Byte Nutzdaten) und der maximal möglichen Anzahl an Stuffbits benötigt eine klassische CAN Nachricht etwa 500 µs Buszeit. Falls der sendende Knoten alle sechs Nachrichten ohne Verzögerung nacheinander Senden kann, wird der Bus für drei Millisekunden vollständig für die Übertragung der 42 Bytes Nutzdaten blockiert.
Im Vergleich hierzu belegt eine CAN FD Nachricht mit 48 Bytes Nutzdaten, 250 kBit/s Arbitrierungsbitrate und 2 MBit/s Datenbitrate den Bus nur für etwa 365 µs – ebenfalls bei maximaler Anzahl an Stuffbits.
Die deutlich schnellere Datenübertragung verbessert unter anderem das Echtzeitverhalten von CAN-Systemen aufgrund der deutlich kürzeren Reaktionszeiten bei gleichzeitig erhöhter Datenrate und verringerter Komplexität der Datenverwaltung!

 

Um die Steuerdaten nicht unnötig zu verlängern, nutzt auch CAN FD nur 4 Bit für den Datenlängencode – die Werte 0 bis 8 werden direkt vom klassischen CAN übernommen. Die bisher nicht definierten Werte 9 bis 15 (1001 bis 1111) werden für die neuen, erweiterten Datenlängen verwendet: Es stehen neben 0 bis 8 Byte nun auch 12, 16, 20, 24, 32, 48 und 64 Bytes für die Nutzdaten zur Verfügung. Davon abweichende Datenlängen sind nicht möglich, d.h. nicht verwendete Bereiche müssen durch „Füllwerte“ belegt werden. Die Umschaltung in den CAN FD Modus erfolgt durch das EDL Bit.

Zusammen mit der schnellen Übertragung des Datenbereichs kann mit CAN FD die effektiv nutzbare Datenrate um enorm gesteigert und die Zykluszeit um deutlich gesenkt werden – so erreicht ein CAN FD Netzwerk mit 500 kBit Arbitrierung, 4 MBit Datenübertragung und 64 Datenbytes eine effektive Datenrate von über 5 MBit/s.

 

Echtzeitfähigkeit

Durch das Zusammenfassen von mehreren, unabhängigen Datenpaketen in eine einzelne Nachricht kann die Datenverwaltung deutlich vereinfacht werden, da die einzelnen Nachrichten untereinander nicht mehr aufwändig synchronisiert werden müssen. Die schnelle Übertragung und den größeren Datenpaketen, im Vergleich zum klassischen CAN, erlaubt die Übertragung der achtfachen Datenmenge (64 Bytes) in etwa der gleichen Zeitdauer einer einzelnen klassischen 8-Byte CAN Nachricht. So können hochpriore Nachrichten deutlich früher gesendet und die Echtzeitfähigkeit verbessert werden.

 

Datensicherheit

Ein wichtiges Thema ist die Datensicherheit: CAN FD erfüllt hier trotz dem erweiterten Datenpaket im Vergleich zum klassischen CAN  die gleichen Ansprüche. Dies wird z.B. durch den Einsatz längerer CRC-Prüfschlüssel mit angepassten Algorithmen erreicht. Abhängig von der Anzahl der übertragenen Datenbytes wird eine von drei verschiedenen CRC- Algorithmen verwendet: die bisherige CRC Formel für Nachrichten mit bis zu 8 Datenbytes, sowie zwei erweiterte Algorithmen bis 16 Datenbytes bzw. für Nachrichten mit mehr als 16 Datenbytes. Welcher Algorithmus vom CAN-Controller verwendet wird, ist am Datenlängencode erkenntlich.

Um die Datensicherheit weiter zu steigern, wurden weitere Vorschläge umgesetzt. So beginnt der CRC in CAN FD Nachrichten immer mit einem Stuffbit,  nach jeweils 5 Bits wird ein weiteres Stuffbit eingefügt – abweichend von der CAN-Stuffbitregel erfolgt dies unabhängig von den Bitwerten der vorangehenden Bits. Alle Stuffbits haben jeweils den Gegenwert des vorangegangenen Bits.

 

Rückwärtskompatibilität

Ein Nachteil beim Wechsel von CAN auf schnellere Kommunikationssysteme ist der oftmals notwendige Komplettumstieg: Es müssen alle Teilnehmer von CAN auf das neue System, z.B. EtherCAT, angepasst werden – alternativ kann die Steuerung der Maschine erweitert werden, um mehrere heterogene Netzwerke zu verwenden. Beide Vorgehensweisen bieten Vor- und Nachteile, auf welche in diesem Artikel nicht weiter eingegangen werden soll. Mit CAN FD steht nun ein weiterer, „sanfter“ Weg zur Verfügung: Da CAN FD Controller auch als klassische CAN-Knoten verwendbar sind, können alle Netzknoten schrittweise durch CAN FD fähige Geräte getauscht werden. Sobald das gesamte Netzwerk CAN FD fähig ist, können die Vorteile von CAN FD vollständig genutzt werden. Dies ist insbesondere im Sondermaschinenbau interessant, da hier in oft auch Netzwerkteilnehmer verwendet werden, die nicht durch frei verfügbare Knoten ersetzt werden können - insbesondere kundenspezifische bzw. selbstentwickelte Geräte.