Pourquoi CAN FD ?

Les exigences croissantes en nombre de nœuds, débits de transfert et temps de cycle entraînent des goulets d'étranglement que les limitations du CAN classique (8 octets de données et 1 Mbit/s de débit) ne peuvent pas satisfaire. Le débit dépendant de l'extension du réseau et la courte longueur de données pour les données de service et analogiques jouent un rôle particulier.

Dans l'utilisation quotidienne, ces limitations sont souvent contournées par des compromis : la division du système en différents segments de réseau — ou même en réseaux parallèles — signifie que la technologie existante est constamment poussée à ses limites, ce qui a souvent conduit à des solutions complexes et coûteuses en termes de configuration, de mise en service et de maintenance.

En principe, un passage aux technologies Ethernet industriel haute performance serait possible. Cependant, le niveau d'investissement accru généralement nécessaire et le changement de structures de données représentent souvent un défi considérable. De plus, un changement d'outils de développement, de mise en service et de service est nécessaire, ce qui dissuade souvent de nombreux utilisateurs d'une conversion complète. En même temps, il y a le souhait de continuer à utiliser le savoir-faire existant de manière utile.

C'est là que CAN FD entre en jeu : CAN FD (CAN with Flexible Data rate) est une version étendue du CAN « classique » bien connu, introduite par Bosch en 2012, qui étend significativement le débit de données utilisable et la longueur de données. D'autre part, les concepts CAN éprouvés ont été conservés : arbitrage basé sur les identifiants de messages, envoi de messages déclenché par événement et acquittement des messages reçus via le bit d'acquittement.

Débit de données amélioré

L'acquittement des messages par les récepteurs, utilisé en CAN classique, offre de nombreux avantages en confirmant le succès de la transmission au sein du message transmis — les erreurs de transmission potentielles sont rapidement détectées et les données peuvent être retransmises extrêmement vite. L'arbitrage des messages basé sur l'identifiant CAN offre également des avantages pour les applications de contrôle en évitant les collisions lors de la transmission de données.

L'inconvénient des méthodes utilisées est qu'au moment de l'échantillonnage, le même niveau de bus doit exister à tous les nœuds pour éviter les défauts. En conséquence, un intervalle de bit doit fournir un temps de propagation de signal suffisant entre les deux nœuds les plus éloignés du réseau. L'intervalle de bit et par conséquent le débit de données est donc directement dépendant de l'extension du réseau ; à une extension de 40 m, jusqu'à 1 Mbit/s est possible, mais à 250 m d'extension, cela tombe à 250 kBit/s.

Pour augmenter significativement le débit sans changer la technologie de communication existante, CAN FD travaille avec deux débits binaires différents. Le « débit d'arbitrage » pour les commandes de contrôle est dépendant de la vitesse de propagation et donc de l'extension du réseau. Par contraste, un second « débit de données » est optionnellement utilisé — pour le contenu des données et la sécurité des données. À ce moment, seul l'émetteur du message occupe le bus, ce qui signifie qu'un retour direct dans le temps de bit est inutile. Le débit de données maximal réalisable ne dépend donc que de la caractéristique de transmission du support, et non de la propagation du signal. Les réseaux CAN FD permettent actuellement une utilisation productive à 8 MBit/s, le standard CAN FD autorisant jusqu'à 15 Mbit/s.

CAN FD introduit deux débits binaires séparés : le débit binaire d'arbitrage gouverne l'arbitrage, les champs de contrôle et l'acquittement. Sa vitesse dépend de la longueur physique du réseau. Le débit binaire de données s'applique au champ de données et au CRC. Puisque seul l'émetteur occupe le bus pendant cette phase, la vitesse peut être augmentée indépendamment de la longueur du réseau.

Les deux débits de données sont réglés indépendamment l'un de l'autre dans le contrôleur CAN FD via deux registres de temporisation de bit. La commutation entre les deux débits est effectuée à l'aide de deux bits de contrôle dans le protocole. Le premier bit réservé jusqu'ici est utilisé comme bit « Extended Data Length » (EDL), et définit un message CAN FD de par son niveau récessif. La commutation réelle du débit est effectuée par un nouveau bit, le bit « Bit Rate Switch » (BRS).

Données utilisateur étendues

Les données de contrôle sont toujours transmises avec les débits binaires inférieurs connus, limitant ainsi les débits réalisables. En augmentant la zone de données utilisateur jusqu'à 64 octets, davantage de données peuvent être envoyées en mode de transfert rapide, augmentant ainsi efficacement le débit.

Le CAN classique ne fournit que 8 octets de données, ce qui n'est plus suffisant pour de nombreuses applications de données, par ex. pour transmettre des valeurs analogiques de haute précision ou pour contrôler un robot multi-axes. À cela s'ajoutent les données de service qui, jusqu'à présent, ont significativement réduit l'efficacité en raison des protocoles de transport requis pour la transmission de plus de 8 octets.

CAN FD offre désormais la possibilité d'utiliser jusqu'à 64 octets de données. Ainsi, des blocs de données plus importants peuvent être transmis dans un seul message. Pour les données de service, la nécessité de protocoles de transport est réduite, car un seul message CAN FD est souvent suffisant pour les données de configuration.

Pour éviter d'étendre inutilement les données de contrôle, CAN FD utilise également seulement 4 bits pour le code de longueur de données — les valeurs 0 à 8 sont reprises directement du CAN classique. Les valeurs jusqu'ici non définies (9 à 15) sont utilisées pour les nouvelles longueurs de données étendues : en plus de 0 à 8 octets, 12, 16, 20, 24, 32, 48 et 64 octets sont désormais disponibles pour les données utilisateur.

En plus de la transmission rapide de la zone de données, le débit de données effectivement utilisable peut être significativement augmenté avec CAN FD. Ainsi, un réseau CAN FD avec 500 kBit d'arbitrage, 4 MBit de transmission de données et 64 octets de données peut atteindre un débit effectif de plus de 5 MBit/s.

La trame CAN FD avec tous ses éléments et significations

Capacité temps réel

La combinaison de plusieurs paquets de données indépendants dans un seul message simplifie considérablement l'administration des données, car les messages individuels n'ont plus besoin d'être synchronisés entre eux à grands frais. La transmission rapide de paquets de données plus importants par rapport au CAN classique permet le transfert de 8 fois le volume de données (64 octets) en à peu près le même temps que celui requis pour un message CAN classique de 8 octets. De cette manière, les messages de haute priorité peuvent être transmis beaucoup plus rapidement et la capacité temps réel est améliorée.

Sécurité des données

La sécurité des données est un sujet important : malgré la taille accrue des paquets de données par rapport au CAN classique, CAN FD remplit les mêmes exigences en matière de sécurité des données. Ceci est réalisé en utilisant des clés de contrôle CRC plus longues avec des algorithmes adaptés. Selon le nombre d'octets de données transmis, l'un des trois algorithmes CRC différents est utilisé : la formule CRC précédente pour les messages jusqu'à 8 octets de données, ainsi que deux algorithmes améliorés pour les messages jusqu'à 16 octets ou plus de 16 octets.

Pour une sécurité des données améliorée, des suggestions supplémentaires ont été implémentées. En conséquence, le CRC dans les messages CAN FD commence toujours par un bit de bourrage ; après 5 bits supplémentaires, un bit de bourrage additionnel est inclus — contrairement à la règle de bourrage CAN, celui-ci est indépendant des valeurs des bits précédents.

Rétrocompatibilité

Un inconvénient du passage du CAN à des systèmes de communication plus rapides est la fréquente nécessité d'une conversion complète : tous les participants CAN doivent être adaptés au nouveau système. En utilisant CAN FD, une option « plus douce » est désormais disponible : comme les contrôleurs CAN FD peuvent également être utilisés comme nœuds CAN classiques, tous les nœuds du réseau peuvent être progressivement remplacés par des dispositifs compatibles CAN FD. Dès que l'ensemble du réseau est compatible CAN FD, les avantages du CAN FD peuvent être exploités pleinement.

Avec la sortie de divers produits matériels et logiciels, PEAK-System est un pionnier dans l'introduction du standard CAN FD.

Avec CAN FD (Flexible Data rate), la spécification CAN robuste et éprouvée a été étendue avec des propriétés principalement conçues pour de plus grandes quantités de données. Des débits binaires plus élevés jusqu'à 12 Mbit/s pour les données des trames CAN et l'utilisation de jusqu'à 64 octets de données dans une seule trame CAN sont les critères principaux.

CAN FD est rétrocompatible avec le standard CAN 2.0 A/B, les nœuds CAN FD peuvent donc être utilisés dans les réseaux CAN existants. Cependant, dans ce cas, les extensions CAN FD ne sont pas applicables.

Depuis les premières implémentations de CAN FD, le protocole a été amélioré et est désormais inclus dans la norme ISO 11898-1. PEAK-System en tient compte en prenant en charge les deux versions du protocole avec ses interfaces CAN FD (« Non-ISO » et « ISO »).

Produits avec support CAN FD

PEAK-System enrichit progressivement sa gamme de produits CAN avec la compatibilité CAN FD.

Produits compatibles CAN FD

Certains de nos produits CAN existants peuvent fonctionner avec le standard CAN FD, de par leur principe de fonctionnement.