CAN FD

Ensemble d'outils complet pour l'extension du CAN standard.


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Qu'est-ce que le CAN FD?
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Les interfaces PC CAN IXXAT supportent aussi bien le CAN classique que le nouveau standard CAN FD. En utilisant le pilote Windows VCI, vous développez facilement des applications basées sur PC. .

  • Disponible dans différents facteurs de forme ainsi que pour un grand nombre standards d'interfaces PC
  • Pilotes Windows pour les applications CAN et CAN FD basées sur PC pour spécifiques aux clients 

Interfaces PC CAN pour CAN FD

 
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  • canAnalyser – analyse facile, transmet et enregistre vos messages CAN et CAN FD  

canAnalyser pour CAN et CAN FD

CAN FD: courte introduction

 

Pourquoi le CAN FD?

Du fait de l'exigence croissante en nombre de nœuds en débit de transfert et les congestions résultant des temps de cycles, le CAN classique avec un maximum de 8 octets de données et 1 Mbits/s de débit atteint rapidement ses limites. Cela est le cas en particulier lorsque les débits de données dépendants des extensions de réseau et les courtes longueurs de données de données analogues jouent un rôle.

Dans les applications quotidiennes, ces restrictions sont contournées par le biais de nombreux compromis. Dans diverses applications, on tire le meilleur de la technique existante par des subdivisions du système en plusieurs segments de réseau voire en systèmes parallèles, ce qui mène parfois à des solutions onéreuses et complexes  en termes de configuration, de maintenance et d'installation. En principe le passage aux technologies de l'Ethernet industriel plus performants est possible. Ls lourds investissements, la modification des structures de données et de la conception de la configuration, particulièrement pour les systèmes gérés temporellement, représentent pour les réseaux étendus une tâche complexe. De plus, un changement d'outils est souvent nécessaire pour le développement, la mise en service  et le support, ce qui retient de nombreux utilisateurs à franchir le pas.

En même temps le souhait est bien présent de faire usage de manière pertinente du savoir-faire disponible.

C'est là que le CAN FD entre en jeu: Le CAN FD (CAN avec débit de données flexible) est une extension de la version déjà connue CAN, qui a été présenté par Bosch en 2012 et qui prolonge de manière significative les débits de données utilisés ainsi que la longueur de données utiles de manière significative.

D'autre part, des concepts éprouvés du CAN sont conservés: L'arbitrage par message ID, l'envoi des messages évènementiels et l'acquittement de messages reçus par le bit d'acquittement.

Débits en bauds augmentés

L'acquittement d'un message dans le CAN classique, par les destinataires offre divers avantages, grâce à la confirmation de l'envoi réussi à l'intérieur du message envoyé. De possibles erreurs de transfert sont immédiatement reconnues, les données peuvent très rapidement être retransmises une nouvelle fois.

L'arbitrage des messages par le biais de l'identificateur CAN  offre des avantages pour les applications de commande grâce à l'évitement des collisions pendant la phase de transmission de données et le temps de latence court pour les messages à haute priorité, même en cas de charge importante du bus.

L'inconvénient avec les méthodes utilisées est que pendant le temps de balayage le niveau de bus doit être le même pour tous les nœuds du réseau, afin d'éviter les erreurs. Ainsi, un intervalle de bit doit mettre à disposition une durée de signal suffisamment longue entre les deux nœuds les plus éloignés dans le réseau, tout en prenant en compte leur activation. L'intervalle de bit et le débit en bauds sont donc directement dépendants de l'étendue du réseau. Jusqu'à 40 m de distance, environ 1 Mbits/s sont possibles, pour 250 m ce sont environ 250 kbits/s. 

Pour augmenter de manière significative le débit de données, sans pour cela modifier les techniques de communication, le CAN FD fonctionne avec deux débits en bits: Un débit en bits d'arbitrage pour les ordres de commande avec arbitrage, type de message, indicateur de fin et acquittement, lequel est dépendant de la vitesse de  propagation et de l'étendue du réseau.  Un autre débit en bits pour les données (optionnel), utilisé pour le contenu de données et la sauvegarde de données. À cet instant, seul l'émetteur de message occupe le bus et pour cette raison, aucune réponse n'est nécessaire à l'intérieur du temps de bit.

Ainsi le débit de données maximal n'est dépendant que de la caractéristique de transmission du médium de transmission, mais pas de la propagation du signal. Les réseaux CAN FD permettent actuellement une utilisation productive de 8Mbits/s, bien que le CAN FD standard rende possible des utilisations jusqu'à 15Mbits/s. Ce débit en bits a été testé avec succès dans différents systèmes.

 

 

CAN-FD-Technology-Frame

Graphique 1: Dans cet exemple les données de configuration sont transmises avec 42 octets. Pour que cela soit possible avec le CAN classique, un protocole de transport devrait être implémenté pour que l'ensemble du volume de données puisse être transmis par messages de 8 octets. L'exemple est basé sur un protocole de transport, qui n'utilise que le premier octet de données pour la commande du flux de données. Ainsi 7 octets sont disponibles pour les données d'utilisation par message CAN. Selon le protocole de transport implémenté d'autres champs de données peuvent être nécessaires. En comparaison, un unique message CAN FD de 48 octets de données d'utilisation remplace 6 messages CAN classiques. Étant donné que les données sont transmises avec un débit de données supérieur, le message CAN FD nécessite moins de temps de bus que les messages CAN classiques. Il faut encore remarquer que l'utilisation d'un seul message CAN FD simplifie de manière significative la gestion du flux de données. 

 

Les deux débits de données sont réglés indépendamment l'un de l'autre par le biais de deux registres de chronométrage de temps. Le passage d'un débit de données à l'autre a lieu grâce à deux bits de commande dans le protocole. D'une part, le premier bit réservé est utilisé comme „Extended Data Length“ Bit (EDL), qui définit par son niveau récessif un message CAN FD. Le véritable passage de débit de bits se déroule lorsqu'un nouveau bit est ajouté, autrement dit  „Bit-Rate Switch“ Bit (BRS), dans lequel lors du temps de balayage à l'endroit du débit de bits le plus élevé. Le passage en sens inverse se fait lors du temps de balayage du bit de restriction de contrôle de redondance cyclique (CRC).

 

Extension des données d'utilisation

Les données de commande continuent à être transmises avec les débits de bits faibles habituels et limitent ainsi les débits de données qui peuvent être atteints. Par l'extension des domaines de données d'utilisation à 64 octets davantage de données peuvent être transmises en mode rapide, ce qui augmente l'efficacité des débits de données.

Le CAN classique n'autorise que 8 octets de données, qui ne sont pas suffisants pour de nombreuses données d'application, comme par exemple lors de la transmission de valeurs analogues hautement précises ou lors de la commande de robots multiaxe et ses diverses valeurs d'encodage et transmission d'ordres. S'ajoutent à cela les données de service, qui par les protocoles de transport indispensables à la transmission de plus de 8 octets de données contribuent à réduire fortement l'efficacité.

Le CAN FD offre à présent la possibilité d'utiliser jusqu'à 64 octets de données. Ainsi des blocs de données plus importants peuvent être transmis dans un seul message, particulièrement pour les machines complexes qui peuvent être commandées avec un seul message de processus comprenant l'ensemble des données de processus.  Pour les données de service, la nécessité de recourir aux protocoles de transport n'est plus aussi primordiale, étant donné que les données de configuration et autres sont regroupées dans un seul message CAN FD.

CAN-FD-Technology-Time-Line

Graphique 2: Messages CAN représentés dans le graphique sur une ligne du temps. Pour le CAN classique un débit de données de 250 kbits/s est pris en compte. Pour les messages de 8 octets de données utiles (dans l'exemple: 1 octet pour le protocole de transport, 7 octets pour les données utiles) et le nombre maximale de bits de remplissage (stuffbit) sans information un message classique a besoin d'environ 500 µs. Dans le cas où le nœud émetteur envoie l'ensemble des 6 messages sans retard un après l'autre, le bus est bloqué pour une durée de 3 µs pour la transmission des 42 octets de données utiles.


En comparaison un message CAN FD avec 48 octets de données utiles, n'occupe le bus pour un débit de bit d'arbitrage et 2 Mbits/s de débit de données, pour environ 365 µs (également avec un nombre maximal de bits de remplissage dépourvu d'information).
La transmission beaucoup plus rapide améliore entre autres le comportement en temps réel des systèmes CAN, car les temps de réaction beaucoup plus courts augmentent les débits en données et réduisent la complexité de la gestion des données
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Pour ne pas prolonger de manière inutile les données de commande, le CAN FD n'utilise que 4 bits pour le code de longueur de données, les valeurs de 0 jusqu'à 8 sont directement reprises par le CAN classique. Les valeurs de 9 à 15 jusqu'ici non définies (de 1001 à 1111) sont utilisées pour les longueurs de données étendues. Le nombre d'octets disponibles pour les données utiles en plus des traditionnels 0 à 8 octets 12, 16, 20, 24, 32, 48 et 64 octets. D'autres longueurs de données divergentes ne sont pas possibles, c'est-à-dire que les domaines non utilisés doivent être complétés ou remplis par des valeurs de remplissage. Le passage au mode CAN FD à lieur par le bit EDL.

En combinaison avec la transmission rapide des sections de données, les débits de données utilisables effectifs peuvent être grandement augmentés à l'aide du CAN FD et les temps de cycles quant à eux peuvent être réduits significativement. Ainsi dans un réseau CAN FD, des débits de données de 5 Mbits/s sont atteints avec un arbitrage de 500 kbits, 4 Mbits de transmission de données et 64 octets de données.

 

Capacités en temps réel

Par le regroupement de plusieurs paquets de données indépendants, en un seul message la gestion des données peut être simplifiée, étant donné que les messages individuels ne doivent plus être synchronisés  de manière complexe entre eux. La transmission rapides et les grands paquets de données permettent le transfert de volumes de données 8 fois plus importants (64 octets) dans un laps de temps pratiquement similaire à celui d'un message classique CAN. Les messages à haute priorité peuvent alors envoyés plus tôt et les capacités en temps réel sont ainsi accrues.

 

Sécurité des données

Un aspect important est la sécurité des données: Le CAN FD répond bien que les paquets de données soient plus importants aux mêmes exigences que le CAN classique. Ceci est possible grâce au recours à des clés de contrôle CRC avec des algorithmes adaptés.  En fonction du nombre d'octets de données transmis, un des trois différents algorithmes CRC est alors utilisé: la formule CRC pour messages avec au maximum 8 octets de données, ainsi que deux algorithmes étendus avec au maximum 16 octets de données. L'algorithme utilisé est reconnaissable au code de longueur de donnés.  

Pour favoriser encore la sécurité des données, d'autres propositions ont été mise en œuvre. Ainsi le CRC dans les messages CAN FD débute toujours avec un bit sans information de remplissage (Stuffbit), après chaque série de 5 bit un nouveau bit de remplissage est généré. Ceci a lieu un peu à l'écart des règles de bit de remplissage CAN et aussi indépendamment des valeurs de bit du bit précédent. Tous les bits de remplissage ont chacun la contre-valeur du bit précédent.

 

Rétrocompatibilité

Un inconvénient dans le passage du CAN vers d'autres systèmes de communication plus rapides, est souvent la nécessité de migrer complètement: Tous les participants du CAN doivent être adaptés au nouveau système (par exemple EtherCAT). Une alternative consiste à étendre la commande des machines pour pouvoir utiliser plusieurs réseaux hétérogènes. Les deux solutions ont des avantages et des inconvénients pour lesquels il n'est pas intéressant d'en dresser la liste ici. Cependant avec le CAN FD une solution de compromis existe: Sachant que les contrôleurs CAN FD peuvent aussi être utilisés comme des nœuds CAN classiques, tous les nœuds de réseau peuvent être échangés au fur et à mesure par des appareils compatibles avec la CAN FD. Dès que la totalité du réseau est compatible avec le CAN FD, il est possible de profiter de tous les avantages offerts par le CAN FD.  Ceci est particulièrement intéressant dans la conception de machines spéciales pour lesquelles on a souvent recours à des participants de réseau qui ne peuvent pas être remplacés par des nœuds libres disponibles, ceci concerne d'autant plus les appareils spécifiques aux clients ou développés individuellement.