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Einführung in die CAN-FD-Technologie

Warum CAN FD?

Die steigenden Anforderungen an Knotenanzahl, Übertragungsraten und Zykluszeiten führen zu Engpässen, die die Einschränkungen des klassischen CAN (8 Datenbytes und 1 Mbit/s Datenrate) nicht erfüllen können: Die vom Netzwerkausbau abhängige Datenrate und die geringe Datenlänge für Service- und Analogdaten spielen dabei eine besondere Rolle.

Im täglichen Einsatz werden diese Einschränkungen oft durch Kompromisse umgangen: Die Aufteilung des Systems in verschiedene Netzwerksegmente – oder sogar in parallele Netzwerke – führt dazu, dass die vorhandene Technologie ständig ausgereizt wird, was oft zu komplexen und teuren Lösungen in Bezug auf Konfiguration, Einrichtung und Wartung führt. Ein Umstieg auf leistungsfähige Industrial-Ethernet-Technologien wäre grundsätzlich möglich, die in der Regel erforderlichen Mehrinvestitionen sowie die veränderten Datenstrukturen und Denkweisen für die Konfiguration, insbesondere bei zeitgesteuerten Systemen, stellen in ausgedehnten Netzwerken jedoch oft eine erhebliche Herausforderung dar. Zudem ist ein Wechsel der Tools für Entwicklung, Inbetriebnahme und Service erforderlich, was viele Anwender oft von einer vollständigen Umstellung abschreckt. Gleichzeitig besteht der Wunsch, vorhandenes Know-how weiterhin sinnvoll zu nutzen.

Hier kommt CAN FD ins Spiel: CAN FD (CAN mit flexibler Datenrate) ist eine erweiterte Version des bekannten „klassischen“ CAN, das Bosch 2012 eingeführt hat und die nutzbare Datenrate und -länge deutlich erweitert. Bewährte CAN-Konzepte wurden jedoch beibehalten: Arbitrierung basierend auf Nachrichten-IDs, ereignisgesteuerter Nachrichtenversand und Bestätigung empfangener Nachrichten mittels Acknowledgement-Bit.

Verbesserte Datenrate

Die Nachrichtenbestätigung durch Empfänger, die im klassischen CAN verwendet wird, bietet vielfältige Vorteile, da sie den Erfolg der Übertragung innerhalb der gesendeten Nachricht bestätigt – potenzielle Übertragungsfehler werden schnell erkannt und die Daten können extrem schnell erneut übertragen werden.

Die Arbitrierung der Nachrichten basierend auf dem CAN-Identifier bietet auch Vorteile für Steuerungsanwendungen, indem sie Kollisionen bei der Datenübertragung vermeidet und kurze Latenzzeiten für hochpriore Nachrichten auch bei hoher Buslast ermöglicht.

Der Nachteil der verwendeten Verfahren besteht darin, dass zum Abtastzeitpunkt an allen Knoten der gleiche Buspegel anliegen muss, um Störungen zu vermeiden. Dementsprechend muss ein Bitintervall ausreichend Signallaufzeit zwischen den beiden entferntesten Knoten eines Netzwerks inklusive deren Busaktivierung zur Verfügung stellen. Das Bitintervall und damit auch die Datenrate hängen somit direkt von der Netzwerkausdehnung ab; bei einer Ausdehnung von 40 m sind bis zu 1 Mbit/s möglich, bei 250 m Ausdehnung sinkt diese jedoch auf bis zu 250 kBit/s.

Um die Datenrate deutlich zu erhöhen, ohne die bestehende Kommunikationstechnologie zu ändern, arbeitet CAN FD mit zwei verschiedenen Bitraten. Die „Arbitrierungsrate“ für die Steuerbefehle (einschließlich Arbitrierung, Nachrichtentyp and Acknowledgement) ist abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit von der Netzwerkausdehnung. Optional wird dagegen noch eine zweite „Datenbitrate“ – für den Dateninhalt und die Datensicherheit – verwendet. Zu diesem Zeitpunkt belegt nur der Nachrichtensender den Bus, sodass eine direkte Rückmeldung innerhalb der Bitzeit nicht erforderlich ist. Die maximal erreichbare Datenrate ist somit ausschließlich von den Übertragungseigenschaften des Übertragungsmediums und nicht von der Signalausbreitung abhängig. CAN-FD-Netzwerke ermöglichen aktuell einen produktiven Einsatz mit 8 MBit/s, wobei der CAN-FD-Standard bis zu 15 MBit/s zulässt. Diese Bitrate wurde auch in verschiedenen Testsystemen erfolgreich eingesetzt.

CAN FD verwendet zwei separate Bitraten: Die Arbitrationsbitrate regelt Arbitrierung, Kontrollfelder und Bestätigung. Ihre Geschwindigkeit hängt von der physikalischen Länge des Netzwerks ab. Die Datenbitrate bezieht sich auf das Datenfeld und die CRC. Da in dieser Phase nur der Sender den Bus belegt, kann die Geschwindigkeit unabhängig von der Netzwerklänge erhöht werden.

Die beiden Datenraten werden im CAN-FD-Controller über 2-Bit-Timing-Register unabhängig voneinander eingestellt. Die Umschaltung zwischen den beiden Datenraten erfolgt über zwei Steuerbits im Protokoll. Das erste, bisher reservierte Bit wird als „Extended Data Length“-Bit (EDL) verwendet und definiert durch seinen rezessiven Pegel eine CAN-FD-Nachricht. Die eigentliche Bitratenumschaltung erfolgt durch ein neu hinzugefügtes Bit, das „Bit Rate Switch“-Bit (BRS), bei dem zum Zeitpunkt der Abtastung auf die höhere Bitrate umgeschaltet wird. Die Rückschaltung erfolgt zum Zeitpunkt der Abtastung des CRC-Restriction-Bits.

Erweiterte Nutzdaten

Die Steuerdaten werden weiterhin mit den bekannten niedrigeren Bitraten übertragen, was die erreichbaren Datenraten begrenzt. Durch die Erweiterung des Nutzdatenbereichs auf bis zu 64 Bytes können mehr Daten im schnellen Übertragungsmodus gesendet und so die Datenrate effektiv erhöht werden.
Klassisches CAN bietet nur 8 Datenbytes, was für viele Datenanwendungen nicht mehr ausreicht, z. B. für die Übertragung hochpräziser Analogwerte oder die Steuerung eines mehrachsigen Roboters mit seinen vielfältigen Kodierungswerten und Fahrbefehlen. Hinzu kommen Servicedaten, was die Effektivität bisher aufgrund der für die Übertragung von mehr als 8 Bytes erforderlichen Transportprotokolle deutlich reduzierte.

CAN FD bietet nun die Möglichkeit, bis zu 64 Datenbytes zu verwenden. Dadurch können größere Datenblöcke in einer einzigen Nachricht übertragen werden – insbesondere bei Prozessdaten können komplexere Geräte nun vollständig mit nur einer einzigen Prozessnachricht gesteuert werden. Für Servicedaten reduziert sich der Bedarf an Transportprotokollen, da eine einzige CAN-FD-Nachricht oft nur für Konfigurationsdaten und Ähnliches benötigt wird.
Um die Steuerdaten nicht unnötig zu verlängern, verwendet CAN FD zudem nur 4 Bit für den Datenlängencode – die Werte 0 bis 8 werden direkt aus dem klassischen CAN übernommen. Die bislang undefinierten Werte (9 bis 15, also 1001 bis 1111) werden für die neuen, erweiterten Datenlängen verwendet: Neben 0 bis 8 Byte stehen nun auch 12, 16, 20, 24, 32, 48 und 64 Byte für die Nutzdaten zur Verfügung. Davon abweichende Datenlängen sind nicht möglich, d. h. ungenutzte Bereiche müssen mit „Füllwerten“ aufgefüllt werden.

Neben der schnellen Übertragung des Datenbereichs lässt sich mit CAN FD auch die effektiv nutzbare Datenrate deutlich erhöhen und die Zykluszeit deutlich reduzieren. So kann ein CAN-FD-Netzwerk mit 500 kBit Arbitrierung, 4 MBit Datenübertragung und 64 Datenbytes eine effektive Datenrate von über 5 MBit/s erreichen.

Der CAN-FD-Frame mit allen Elementen und Bedeutungen

Echtzeitfähigkeit

Die Zusammenfassung mehrerer unabhängiger Datenpakete zu einer einzigen Nachricht vereinfacht die Datenverwaltung erheblich, da die einzelnen Nachrichten nicht mehr aufwändig miteinander synchronisiert werden müssen. Die im Vergleich zum klassischem CAN schnellere Übertragung größerer Datenpakete ermöglicht die Übertragung des achtfachen Datenvolumens (64 Byte) in etwa der gleichen Zeit wie bei einer klassische 8-Byte-CAN-Nachricht. Dadurch können Nachrichten mit hoher Priorität deutlich schneller übertragen und die Echtzeitfähigkeit verbessert werden.

Datensicherheit

Datensicherheit ist ein wichtiges Thema: Trotz der im Vergleich zu klassischem CAN erhöhten Datenpaketgröße erfüllt CAN FD die gleichen Anforderungen an die Datensicherheit. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung längerer CRC-Prüfschlüssel mit angepassten Algorithmen erreicht. Abhängig von der Anzahl der übertragenen Datenbytes kommt einer von drei verschiedenen CRC-Algorithmen zum Einsatz: die bisherige CRC-Formel für Nachrichten mit bis zu 8 Datenbytes sowie zwei erweiterte Algorithmen mit bis zu 16 Datenbytes bzw. mehr Datenbytes für Nachrichten. Der vom CAN-Controller zu verwendende Algorithmus wird durch den Data Length Code (DLC) bestimmt.

Zur Verbesserung der Datensicherheit wurden zusätzliche Vorschläge implementiert. So beginnt der CRC in CAN-FD-Nachrichten immer mit einem Stuff-Bit; nach weiteren 5 Bits wird ein weiteres Stuff-Bit eingefügt – entgegen der CAN-Stuff-Bit-Regel ist dies unabhängig von den Bitwerten der vorherigen Bits. Jedes Stuff-Bit hat den komplementären Wert des vorherigen Bits.

Abwärtskompatibilität

Ein Nachteil der Umstellung von CAN auf schnellere Kommunikationssysteme ist die häufig erforderliche Komplettumstellung: Alle CAN-Teilnehmer müssen an das neue System, z. B. EtherCAT, angepasst werden. Alternativ kann die Maschinensteuerung um mehrere heterogene Netzwerke erweitert werden. Beide Verfahren bieten Vor- und Nachteile. Mit CAN FD steht nun zusätzlich eine „sanftere“ Option zur Verfügung: Da CAN-FD-Controller auch als klassische CAN-Knoten eingesetzt werden können, lassen sich alle Netzwerkknoten sukzessive durch CAN-FD-fähige Geräte ersetzen. Sobald das gesamte Netzwerk CAN-FD-fähig ist, können die Vorteile von CAN FD voll ausgeschöpft werden. Dies ist insbesondere für den Sondermaschinenbau interessant, da hier häufig auch Netzwerkteilnehmer zum Einsatz kommen, die nicht durch frei verfügbare Knoten ersetzt werden können – insbesondere kundenspezifische Geräte oder Eigenentwicklungen.

PEAK und der CAN-FD-Standard

Mit der Veröffentlichung verschiedener Hardware- und Software-Produkte ist PEAK-System Vorreiter bei der Einführung des Standards CAN FD.

Mit CAN FD (Flexible Data rate) ist die robuste und lange währende CAN-Spezifikation um Eigenschaften erweitert worden, die primär auf größere Datenmengen ausgelegt sind. Höhere Übertragungsraten bis zu 12 Mbit/s für den Datenbereich des CAN-Frames und die Verwendung von bis zu 64 Datenbytes in einem CAN-Frame sind dabei die Hauptkriterien.

CAN FD ist abwärtskompatibel zum CAN-Standard 2.0 A/B, so dass CAN-FD-Knoten in bereits bestehenden CAN-Netzwerken eingesetzt werden können. Dabei sind die CAN-FD-Erweiterungen jedoch nicht anwendbar.

Seit den ersten Implementierungen von CAN FD wurde der Standard verfeinert und schließlich in die Norm ISO 11898-1 übernommen. Der überarbeitete CAN-FD-Standard ist nicht kompatibel zum ursprünglichen Protokoll. PEAK-System berücksichtigt diesen Umstand, indem beide Protokollausführungen in den CAN-FD-Interfaces zur Verfügung gestellt werden. Bei Bedarf kann der Anwender per Software auf das im Umfeld verwendete CAN-FD-Protokoll umschalten („Non-ISO“ und „ISO“).