CAN FD jako náhrada sběrnic i průmyslového Ethernetu na speciálních strojích

CAN FD umožňuje použít existující komunikační systémy CAN a využít znalosti o CAN i pro komunikační sítě s velkým počtem nódů, pro velké rychlosti přenosu a krátké doby cyklu. Thomas Waggershauser z firmy HMS vysvětluje, jakým způsobem.

Na speciálních jednoúčelových strojích se velmi často používají komunikační systémy založené na CAN – ať už se standardními protokoly, jako je např. CANopen, nebo jako proprietární řešení. Výhodami komunikačních sítí založených na CAN jsou jednoduchá struktura datových telegramů, levná a velmi flexibilní implementace, snadné rozšíření existující sítě a možnost analýzy systému v případě poruchy.

Možnosti využití CAN FD
Klasické sítě CAN (osm bajtů dat, přenosová rychlost do 1 Mb/s) nemohou splnit rostoucí požadavky na počet nódů v síti, přenosové rychlosti a dobu cyklu: klíčové problémy jsou v tom, že přenosová rychlost závisí na velikosti sítě a délka datového rámce telegramu je příliš malá pro síťové služby a analogová data.

V každodenní praxi se tato omezení obcházejí mnoha kompromisy: celý systém se rozdělí do několika segmentů podle jednotlivých úloh, nebo dokonce do paralelních sítí. Neustále se přitom využívá stávající komunikační technika – často to vede ke složitým řešením, jež jsou náročná a nákladná z hlediska jejich konfigurace, nastavení i údržby.
V principu je také možné přejít na vysoce výkonné systémy průmyslového Ethernetu. To s sebou však obvykle nese nutnost investovat do komunikační sítě a potřebu změnit strukturu dat a konfiguraci sítě, a to zvláště u rozsáhlých sítí, kde se požaduje práce v reálném čase. Od kompletního přechodu k ethernetovým sítím mnoho uživatelů odradí také nutnost přejít na jiné nástroje pro vývoj, uvádění komunikační sítě do provozu a její údržbu.

Současně je zde pochopitelný požadavek maximálně využít již nabytých zkušeností se sítěmi CAN.
To je situace, kdy ke slovu přichází CAN FD (CAN with Flexible Data-rate). Je to rozšířená verze dobře známého standardu CAN, představená firmou Bosch v roce 2012. Významně zvyšuje přenosovou rychlost a prodlužuje délku datového rámce telegramů. Přitom využívá osvědčený koncept sběrnice CAN: arbitrážní řízení komunikace založené na ID zpráv, událostmi řízené rozesílání zpráv a potvrzování příjmu zpráv prostřednictvím potvrzovacího bitu.

Zvýšená přenosová rychlost
Potvrzování přijetí telegramů, které se využívá v klasických sítích CAN, nabízí mnoho výhod: to, že je úspěšný přenos telegramu potvrzen, pomáhá rychle odhalit případné chyby přenosu a data mohou být velmi rychle odeslána znovu.
Také arbitrážní řízení komunikace založené na identifikátorech CAN přináší pro automatizační úlohy mnoho výhod: zabraňuje kolizím při přenosu dat a pro zprávy s vysokou prioritou umožňuje dosáhnout krátké doby latence i při velkém zatížení komunikační sítě.

Nevýhodou zmíněných metod je to, že v určitém intervalu vzorkování musí mít všechny uzly v síti stejný komunikační stav. To znamená, že interval jednoho bitu musí být dostatečně dlouhý, aby se signál mohl rozšířit mezi dvěma nejvzdálenějšími uzly sítě, včetně aktivace jejich komunikačního stavu. Interval jednoho bitu a od něj odvozená přenosová rychlost tedy závisejí na velikosti sítě; při celkové délce sběrnice do 40 m je možné dosáhnout přenosové rychlosti 1 Mb/s, ale při délce 250 m klesá maximální přenosová rychlost na 250 kb/s.

CAN FD dosahuje výrazného zvýšení přenosové rychlosti bez nutnosti výměny stávající komunikační techniky tím, že používá dvě přenosová pásma. První se používá pro řídicí povely (včetně arbitráže, identifikace typu zprávy, konce zprávy a potvrzení) a je závislá na rychlosti propagace signálu, tj. na rozloze sítě. Druhé přenosové pásmo se volitelně používá pro přenos dat a pro jejich zabezpečení. V okamžiku přenosu dat využívá sběrnici jen ten uzel, který vysílá zprávu, a to znamená, že v intervalu přenosu jednoho bitu není vyžadována žádná přímá zpětná vazba. Maximální přenosová rychlost je tedy závislá jen na charakteristice přenosu a vlastnostech přenosového média, nikoliv na rychlosti šíření signálu mezi uzly. Standard CAN FD počítá s přenosovou rychlostí do 15 Mb/s. Tato přenosová rychlost byla úspěšně otestována v laboratorních zkouškách; v praxi v současnosti dosahují sítě CAN FD přenosové rychlosti do 8 Mb/s.

Obě přenosová pásma se v řídicí jednotce CAN FD nastavují nezávisle na sobě prostřednictvím dvou časovacích registrů. Přepínání přenosových pásem je řízeno dvěma řídicími bity v protokolu. První bit, až dosud obsazený, je používán jako příznak EDL – Extended Data Lenght, a definuje zprávu CAN FD v recesivním stavu sběrnice. Aktuální změna přenosového pásma je vykonávána nově přidaným bitem, nazvaným BRS – Bit Rate Switch. Tento bit v intervalu vzorkování přepne přenosové pásmo na vyšší rychlost. Zpět se komunikace přepne v okamžiku, kdy je zaznamenán ukončovací bit CRC.



Obrázek 1: Výhody CAN FD: V tomto příkladu je úkolem přenést konfigurační data o délce 42 bajtů. V klasické síti CAN musí být implementován transportní protokol, který umožní celý objem dat rozdělit a přenést v osmibajtových zprávách. Příklad je založen na modelu transportního protokolu, který pro řízení datového toku používá jen první bajt dat. To znamená, že v každém telegramu CAN je stále k dispozici až sedm bajtů. V závislosti na implementovaném transportním protokolu však mohou být pro řízení datového toku nutná ještě další datová pole. Pro srovnání, jeden telegram CAN FD s 48 bajty uživatelských dat nahradí šest klasických telegramů CAN. Protože CAN FD navíc přenáší data vyšší rychlostí než klasická sběrnice CAN, jeden telegram CAN FD potřebuje na přenesení stejného objemu dat podstatně kratší dobu než několik zpráv klasické sběrnice CAN. Použití jednoho telegramu CAN FD namísto několika zpráv CAN navíc výrazně zjednodušuje správu datového toku.

Rozšířená uživatelská data
Řídicí data jsou stále přenášena nižší přenosovou rychlostí, a tím omezují dosažitelnou celkovou přenosovou rychlost. Zvětšením oblasti uživatelských dat v každém telegramu až na 64 bajtů lze v rychlejším přenosovém pásmu přenést najednou více dat, a tím se efektivně zvyšuje celková přenosová rychlost.

Klasická sběrnice CAN má v jednom telegramu jen osm bajtů uživatelských dat, a to pro mnohé úlohy již nevyhovuje – např. pro přenos vysoce přesných analogových hodnot nebo pro řízení víceosých robotů s různě zakódovanými hodnotami polohy a povely pro pohony. K tomu je nutné přidat servisní data: je-li třeba přenášet zprávy o délce přes osm bajtů, je nutné implementovat transportní protokol, který pro svou práci potřebuje přenášet servisní data, a tím výrazně snižuje efektivitu komunikace.
CAN FD umožňuje v jednom telegramu přenášet větší bloky dat, až 64 bajtů. To je užitečné zvláště v případě provozních dat ze složitějších zařízení, která lze nyní kompletně přenášet jen jedním telegramem. Také konfigurační a servisní data jsou většinou přenášena jen jediným telegramem. Transportní protokol pro rozdělení dat není třeba.

Pro omezení objemu řídicích dat používá CAN FD pro kódování délky datového bloku jen čtyři bity: hodnoty 0 až 8 jsou převzaty přímo z klasické sběrnice CAN, avšak pro prodlouženou délku dat jsou třeba hodnoty, které dosud nebyly definovány (9 až 15, tj. 1001 až 1111): kromě délky 0 až 8 bajtů jsou nyní pro uživatelská data k dispozici bloky dat o délce 12, 16, 20, 24, 32, 48 a 64 bajtů. Bloky dat o jiné délce tedy není možné použít, to znamená, že nevyužitá oblast musí být vyplněna nevýznamovými bity. Kromě urychlení přenosu dat zvyšuje CAN FD efektivní přenosovou rychlost a výrazně zkracuje dobu cyklu. Síť CAN FD s arbitrážním přenosovým pásmem 500 kb, datovým přenosovým pásmem 4 Mb a délkou datového bloku 64 bajtů může dosáhnout efektivní rychlosti přenosu dat více než 5 Mb/s.


Obrázek 2: Výhody CAN FD: Tento obrázek znázorňuje telegram z obr. 1 v časové ose: pro klasickou sběrnici CAN se zde předpokládá přenosová rychlost 250 kb/s. Pro přenesení telegramu s osmi bajty uživatelských dat (v příkladu je jeden bajt pro transportní protokol a sedm bajtů pro uživatelská data) a maximálním počtem nevýznamových vložených bitů potřebuje klasické sběrnice CAN 500 μs. Jestliže je přenosový nód schopen odeslat všech šest zpráv bezprostředně po sobě, je sběrnice přenosem 42 bajtů uživatelských dat kompletně blokována po dobu tří milisekund. Ve srovnání s tím zabere telegram CAN FD s 48 bajty uživatelských dat, šířkou arbitrážního pásma 250 kb/s a šířkou datového pásma 2 Mb/s na sběrnici jen 365 μs – také s maximálním počtem nevýznamových bitů. Vzhledem k výrazně kratším dobám odezvy může rychlejší přenos dat také přispět k také ke zlepšení chování sběrnice CAN v reálném čase. Současně se zvyšuje přenosová rychlost a snižuje složitost správy dat.

Schopnost práce v reálném čase
Kombinace nezávislých datových paketů v jednom telegramu zjednodušuje správu dat, protože jednotlivé telegramy nemusejí být nákladně synchronizovány. Rychlý přenos velkých datových paketů ve srovnání s klasickou sběrnicí CAN umožňuje za přibližně stejnou dobu, která je třeba na přenos klasického osmibajtového telegramu CAN, přenést osmkrát větší objem dat (64 bajtů). Tímto způsobem mohou být zprávy s vysokou prioritou přenášeny mnohem rychleji a zvyšuje se schopnost komunikačního systému pracovat v reálném čase.

Zabezpečení dat
Zabezpečení dat je velmi důležitým aspektem: navzdory větší velikosti datových paketů ve srovnání s klasickou sběrnicí CAN musí CAN FD z hlediska zabezpečení dat splňovat naprosto stejně přísné požadavky. Dosahuje se toho např. delšími kontrolními kódy CRC s adaptovaným algoritmem kontroly. Podle počty přenášených bajtů se používá jeden ze tří různých algoritmů CRC: pro telegramy do osmi bajtů se používá stejný vzorec jako u klasické sběrnice CAN, pro delší zprávy se používají pokročilé algoritmy: jeden do 16 bajtů dat, druhý přes 16 bajtů dat v telegramu. To, který algoritmus řídicí jednotka CAN použije, se rozhoduje podle kódu délky dat. Pro zlepšení bezpečnosti dat jsou implementována ještě další doporučení. Například CRC v CAN FD vždy začíná nevýznamovým bitem; po dalších pěti bitech se opět vkládá nevýznamový bit; na rozdíl od pravidel pro výplňové bity v klasické sběrnici CAN je nevýznamový bit nezávislý na hodnotě předcházejícího bitu.

Zpětná kompatibilita
Jednou z nevýhod přechodu od sběrnice CAN na rychlejší komunikační systém je požadavek na kompletní konverzi celé sítě: buď musí být všechny komunikační uzly převedeny na nový systém, např. EtherCAT, nebo musí být doplněna řídicí jednotka stroje, aby mohla komunikavat současně v několika heterogenních sítích. Obě metody mají své výhody a nevýhody, které je třeba dobře zvážit. Při použití CAN FD je nyní k dispozici ještě třetí, „nenásilná“ metoda: jako řídicí jednotka sítě CAN FD může komunikovat i v klasické síti CAN, takže jednotlivé nódy sběrnice CAN mohou být za nódy schopné komunikovat v CAN FD nahrazovány postupně. Jakmile jsou v síti všechny nódy schopné pracovat s CAN FD, mohou být přednosti CAN FD využity naplno. To je zvláště zajímavá možnost pro speciální stroje, kde často bývají účastníky komunikace nódy, jež nemohou být snadno modernizovány nebo zaměněny za jiné: jsou to zvláště o zařízení zhotovená na zakázku nebo vzniklá jako výsledek vlastního vývoje.

Nástroje pro CAN FD
Pro návrh zařízení a sítí CAN FD je k dispozici množství nástrojů – zvláště karty rozhraní mezi PC a CAN FD, určené pro různé počítačové standardy, např. karta rozhraní IXXAT CAN-IB 500/600 PCIe od HMS Networks. Tyto karty CAN obsahují úplnou nabídku ovladačů pro Windows, Linux a jiné operační systémy a umožňují jednoduché připojení do stávajícího systému a rychlou implementaci existujících softwarových balíčků pro síť CAN FD, aby byla zajištěna podpora sítí CAN i CAN FD.
Kromě hardwarových rozhraní s podporou odpovídajících softwarových ovladačů jsou pro efektivní implementaci CAN FD zapotřebí nástroje pro testování a analýzu sítě. V tomto ohledu společnost HMS připravuje a zanedlouho uvede na trh vysoce výkonné kompletní řešení za příznivou cenu, které bude modifikací známého nástroje IXXAT canAnalyser uzpůsobeného pro práci s CAN FD.

Další aspekty použití CAN FD v průmyslu
Kromě již zmíněných nástrojů jsou ještě další důležité aspekty použití CAN FD v průmyslovém prostředí. Doporučuje se používat standardizované vyšší protokoly určené pro průmyslovou výrobu: sdružení CiA (CAN in Automation) již pracuje na konverzi mezi CANopen a CAN FD – zveřejnění specifikace CANopen V5, která bude obsahovat i doplňky pro CAN FD, se očekává k polovině tohoto roku.
Další důležitý aspekt použití CAN FD v průmyslu je v tom, kdy budou na trhu dostupné levné mikroprocesory, vyráběné ve velkých sériích, jež budou mít integrované rozhraní a ovladače pro CAN a CAN FD. Až dosud jsou dostupné převážně jen mikroprocesorové jednotky s hradlovým polem FPGA, v němž je implementováno jádro CAN FD IP. Mikroprocesorové jednotky s integrovanou logikou CAN FD jsou tak většinou vysoce výkonná zařízení s několika procesorovými jádry, určená primárně pro složité řídicí úlohy v dopravních prostředcích. Dokud nebudou k dispozici jednoduché a levné procesory s integrovanou podporou CAN FD, jsou procesorové jednotky využívající FPGA tím nejpružnějším řešením.

Vyhlídky
CAN FD rozšiřuje možnosti použití systémů založených na CAN tím, že výrazně zvyšuje rychlost přenosu dat, umožňuje jednoduchou konfiguraci a zachovává stejné možnosti analýzy komunikace, jak je známe u klasických průmyslových sběrnic. Budoucí dostupnost protokolu CANopen pro CAN FD znamená, že nový komunikační systém bude moci být bez problémů implementován i v průmyslovém prostředí, a nabízí tak efektivní řešení pro sítě s přenosovou rychlostí od 100 kb/s do 5 Mb/s. Možnost použít větší přenosovou rychlost nebo rozšířený datový rámec telegramů, a to každé zvlášť nebo oboje dohromady, činí z komunikačních sítí založených na CAN FD velmi flexibilní systém, snadno přizpůsobitelný individuálním požadavkům výrobců speciálních strojů.

  Vyžádejte si více informací…