Next Generation CAN

Next Generation CAN

CAN FD – Maschinen und
Anlagen einfach migrieren

Der CAN-Bus hat sich aufgrund seiner hohen Datensicherheit auch außerhalb von Automotive-Anwendungen etabliert und wird seit langem sowohl in der industriellen Automatisierung als auch in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt. Mit der Weiterentwicklung zum CAN FD (Flexible Data Rate) und der Standardisierung in der ISO11898-1:2015 ist der Weg frei für leistungsfähige CAN-FD-Applikationen. Gerade dort, wo abgeschlossene Maschineneinheiten eine bessere Performance mit wenig Aufwand erhalten sollen, ist CAN FD eine Option: Bis zu 8-fach höherer Datendurchsatz bei gleichbleibender Verkabelung und Infrastruktur ist erreichbar.

Die PC-Boards CAN-PCIe/402-FD gemäß ISO11898-1:2015 bieten Geschwindigkeiten bis zu 10 Mbit/s und übertragen bis zu 64 Byte Nutzdaten. (Bild: ESD Electronic GmbH)

Die PC-Boards CAN-PCIe/402-FD gemäß ISO11898-1:2015 bieten Geschwindigkeiten bis zu 10 Mbit/s und übertragen bis zu 64 Byte Nutzdaten. (Bild: ESD Electronic GmbH)

Der altbewährte CAN-Bus ist nicht nur in der Automobilindustrie zum Standard geworden, sondern hat sich auch in der Automatisierungstechnik, Aufzugstechnik, bei Fahrzeugaufbauten, in der Medizintechnik sowie in der Schiffselektronik bewährt. Die gestiegenen Anforderungen in der Automobilindustrie veranlassten Bosch bereits 2011 dazu, in enger Zusammenarbeit mit anderen CAN-Experten das CAN-Protokoll weiterzuentwickeln und als CAN FD mit flexibler Datenrate auszustatten. Aber nicht nur die niedrige Datenrate von 1 Mbit/s bei Netzwerklängen um 40m, sondern auch die Begrenzung der Nutzdaten auf acht Byte entsprachen nicht mehr den gewünschten Leistungsmerkmalen für CAN-Anwendungen. Besonders bei komplexen elektronischen Steuergeräten, beim Herunterladen von Software oder bei Servomotor-Steuerungen ist eine größere Bandbreite gefordert. CAN FD erlaubt Geschwindigkeiten bis zu 10Mbit/s und überträgt bis zu 64 Byte Nutzdaten. Das vergrößerte Datenfeld von 64 Byte entspricht zudem der kleinsten Nachricht im Ethernet-Protokoll. Hierdurch lassen sich Gateways zwischen CAN FD und Ethernet einfacher realisieren. Auch können zusammengehörige Daten in einem Datenpaket transparent übertragen werden und müssen nicht per Software synchronisiert werden. Das führt zu Vereinfachungen bei den Anwendungsprogrammen und beim Systemdesign. Das weiterhin einfache Daten-Link-Layer-Protokoll, die kostengünstigen Controller- und Transceiver-Chips sowie deren niedriger Energiebedarf machen den CAN FD-Bus attraktiv. Weitere Merkmale wie seine Robustheit und Zuverlässigkeit führten zu einer schnellen Akzeptanz in der Automobilindustrie. Hier werden CAN FD-Produkte für Testaufbauten und Prüfsysteme erfolgreich eingesetzt. Außerhalb des Automotivbereichs beispielsweise bei Maschinen und Anlagenteilen, die schon CAN verwenden, lassen sich einfach auf CAN FD umstellen, da aufgrund des gleichen CAN-Frameaufbau die vorhandene Verkabelung genutzt werden kann. Auch bei Weiterentwicklungen auf Basis von CAN lässt sich eine Migration von CAN zu CAN FD einfach realisieren.

Der 64-Bit Timestamp-Zähler ist die Basis für die 'Timestamped TX'-Technologie, die parallel zum CAN-FIFO einen hoch priorisierbaren TX-TS-FIFO zur Verfügung stellt. (Bild: ESD electronics gmbh)

Der 64-Bit Timestamp-Zähler ist die Basis für die ‚Timestamped TX‘-Technologie, die parallel zum CAN-FIFO einen hoch priorisierbaren TX-TS-FIFO zur Verfügung stellt. (Bild: ESD Electronics GmbH)

Funktionsweise CAN FD

Das Prinzip von CAN FD beruht auf der Idee, die Taktrate zwischen der Bus-Arbitrierung und dem Acknowledgement-Feld eines CAN-Frames zu erhöhen. Da in dieser Phase nur ein Teilnehmer senden darf, bemisst sich die maximale Übertragungsgeschwindigkeit lediglich an der internen Verzögerungszeit des CAN-Transceiver und der Datenleitung (ca. 5ns/m). Auf diese Weise lassen sich theoretische Datenraten von bis zu 15Mbit/s bei Netzwerklängen bis 40m erreichen. Der Aufbau des rückwärtskompatiblen CAN FD Frame unterscheidet sich nur gering vom klassischen CAN-Frame. Neu sind die Bits BRS (Bit-Rate Switch) im Arbitration-Feld zur Erkennung der höheren Datenrate und das zum Kontroll-Feld gehörende ESI (Error State Indicator) zum Anzeigen des Error-Modus. Außerdem wurden das Bit FDF (FD Format) zu Erkennung der Datenfeldfeldlänge definiert sowie ein drei Bit tiefer Stuffbit-Zähler hinzugefügt. Hierbei zählt der Sender die Stuffbits und überträgt das Ergebnis gray-kodiert als 3-bit-Wert. Der Empfänger zählt ebenfalls die eingehenden Stuffbits und vergleicht die Werte. Ein der Sequenz angehängtes Paritätsbit sowie ein festes Stuffbit im CRC-Feld erhöhen zusätzlich die Zuverlässigkeit der Übertragung. Das RTR-Bit hingegen wird ignoriert, da das CAN FD-Protokoll keine Remote-Frames unterstützt. Nach der Korrektur der Fehlererkennungsmechanismen im CAN FD Standard (ISO 11898-1:2015), unter anderem durch Einfügen des Stuffbit-Zählers, erreicht das Protokoll die Hamming-Distanz von sechs. Bis zu fünf beliebig verteilte Bitfehler werden erkannt und führen zu einer automatischen Wiederholung der Nachricht. Damit ist das Protokoll auch für sicherheitsrelevante Bereiche interessant.

Der Aufbau des rückwärtskompatiblen CAN-FD-Frame unterscheidet sich nur gering vom klassischen CAN-Frame. (Bild: ESD electronics gmbh)

Der Aufbau des rückwärtskompatiblen CAN-FD-Frame unterscheidet sich nur gering vom klassischen CAN-Frame. (Bild: ESD Electronics GmbH)

CAN-FD-Controller für FPGA (esdACC)

Bei der Entwicklung von CAN-Baugruppen kann auf Standard CAN FD-Controller und auf CAN FD Controllern in FPGAs zurückgegriffen werden. Letztere haben eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Funktionsdichte. Gängige CAN-Controller wurden in der Vergangenheit über acht oder 16Bit breite Busse an das Hostsystem angeschlossen. Da der Schreib- und besonders der Lesezugriff auf diese Controller, im Vergleich zur Zykluszeit moderner CPUs, eher langsam ist, hat esd electronics (esd) einen eigenen FPGA-basierten CAN-Controller entwickelt, den Advanced CAN Controller (esdACC). Er hat beispielsweise ein bis zu 32 Bit breites Interface, unterstützt einen 64 Bit Timestamp und kann einen 100-prozentigen Busload generieren. Eine Variante davon ist der CAN FD Controller für FPGA, der das CAN FD-Protokoll gemäß ISO11898-1:2015 unterstützt. Er ist in der Lage, ein ISO-konformes CAN FD-Protokoll zu senden und zu empfangen oder CAN 2.0 A/B Nachrichten zu übermitteln. Die CAN FD-Übertragungsrate liegt dabei zwischen 10kbit/s und 5Mbit/s. Mit der FPGA-Technologie ist es außerdem möglich, auch kundenspezifische Leistungsmerkmale zu integrieren.

 (Bild: ESD electronics gmbh)

(Bild: ESD Electronics GmbH)

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