电子发烧友网报道(文/吴子鹏)作为CAN总线的升级版,CAN FD(CAN with Flexible Data rate)在数据长度和带宽方面做了明显的拓展和增强,满足工业和汽车应用对高速通信的需求。在工业领域,CAN FD被越来越多地应用于工业控制和工业通信等场景。
CAN FD特征性能和注意事项
相比于传统CAN协议,CAN FD最大的两个特点是采用可变速率和单帧最长64字节数据。通过将每个数据帧最多支持64个数据字节,相比传统CAN的8个数据字节,减少了相同数据传输的协议开销,提升了传输效率。
可变速率具体表现为,CAN FD的控制位的首位由传统CAN的RTR变为RRS,该位始终是显性(0)。第三个控制位在传统CAN中属于保留功能,在CAN FD变为FDF,为隐性(1)。通过这样的设计,CAN FD从控制段中的BRS位到ACK段之前(含CRC分界符)为可变速率(理论最大可达12Mb/s),其余部分为原CAN总线用的速率。
从CAN升级到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。这里的ESI位为Error State Indicator位,用于指示发送节点的错误状态。当ESI位为显性时,表示发送节点处于主动错误状态;当ESI位为隐性时,表示发送节点处于被动错误状态。
虽然CAN FD是向后兼容传统CAN的,不过传统CAN应用升级到CAN FD应用时,也需要注意一些细节。比如,采样点对通信的影响,当传统CAN网络拓扑升级到CAN FD网络拓扑时,节点的软/硬件均需要有所改变,收发机和控制器都需要选择CAN FD对应的。在控制器中,当网络拓扑增加了CAN FD节点之后,需要至少两个通信CAN FD节点,增加了CAN FD节点,需要Classic CAN节点设置CAN ID的过滤功能,这样就会避免出现错误帧。
还有一个经常遇到的是传统CAN和CAN FD的共存问题,未来的CAN网络,较长时间内都会存在着传统CAN与CAN FD并存的情况。这部分需解决速率切换的问题,对实时性要求高的节点会率先采用CAN FD,其他对实时要求不高的节点仍然会使用传统CAN。在这样的网络拓扑中,通信可以全部选择由CAN FD路由器进行转发,因为CAN FD协议是先后兼容传统CAN的。
CAN FD的工业应用
在工业领域,CAN FD通信被用于连接各种工业设备和传感器。通过高速的数据传输,可以实时监控设备的运行状态,提高生产效率和维护效率。目前,CAN FD在工业领域已经拥有了完备的产品和方案支持。
首先,带CAN FD接口的MCU选择是非常丰富的,无论是德州仪器、瑞萨、英飞凌和恩智浦等国际大厂,还是赛元微、灵动微、兆易创新等国内厂商,都提供具有CAN FD接口的MCU,满足工业领域广泛的应用。
以灵动微电子MM32F0160系列MCU为例,该系列MCU具有一个 FlexCAN 模块,该模块遵循ISO 11898-1标准、CAN FD和CAN 2.0B协议规范,不仅兼容传统CAN,还支持CAN FD模式。在CAN FD模式下,可实现最高8 Mbps的FD模式通信速率,支持标准帧(11位标识符)和扩展帧(29位标识符),支持最大64字节有效负载,并且具有非常灵活的用于传输和接收的邮箱系统。
再比如新唐科技带CAN FD接口的MCU/MPU产品M253、M463、M467等,最高可支持到4路接口。其中,M467芯片通过4路CAN FD接口与多个电池包进行通信,以获取电池包数据。该应用要求实现稳定的5Mbps以上传输速率,并采用新唐独有的HyperBus外接HyperRam来存储临时数据。相对于SRAM,HyperRam具有更低的功耗和成本。随后,数据通过以太网口传递给监测端进行处理。
为了提升产品的易用性,处理器厂商也会通过自主研发或者合作研发来提供开发板,比如MD9360核心板,搭载芯驰D9-Pro六核Cortex-A55处理器,主频高达1.6GHz,支持16路串口、4路CAN FD及2路千兆网。这款核心板可用于工业领域的运动控制、工程机械和显示终端等场景。
上述提到了CAN FD的收发,相关的方案也是非常丰富,比如德州仪器的TCAN3413和TCAN3414就是符合ISO 11898-2:2016高速CAN规范物理层要求的控制器局域网 (CAN) FD收发器。此类收发器具有经过认证的电磁兼容性 (EMC),适用于数据速率高达5兆位/秒 (Mbps) 的传统CAN和CAN FD网络。这些器件可以在更简单的网络中实现高达8Mbps的运行速度。德州仪器的TCAN3413和TCAN3414主要应用场景包括工厂自动化、电网基础设施、工业运输、电机驱动器等。
结语
在需要高速数据交换的复杂工业自动化系统中,如高速机器人控制、实时监控系统等,CAN FD的需求还是比较强劲的,填补了传统CAN和以太网之间的差距,无论MCU,还是收发器,抑或者是转接口,目前工业级CAN FD的产品类型是非常丰富的。
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