CAN mit flexibler Datenrate (CAN FD) verstehen

Das CAN-Protokoll (Controller Area Network) gibt es seit den 1980er Jahren und hat sich zum am weitesten verbreiteten fahrzeuginternen Netzwerk für die ECU- und Sensorkommunikation entwickelt.   Die traditionelle CAN-Bandbreite ist jedoch auf maximal 1 Mbit/s und eine maximale Nutzdatengröße von 8 Bytes pro Frame beschränkt. CAN-FD verbessert diese beiden Spezifikationen mit einer höheren Bandbreite (in der Regel 2 oder 5 Mbit/s) und einer oberen Nutzdatengröße von 64 Bytes pro Frame. Mit den wachsenden Anforderungen der Verbraucher, der Sicherheit und der Gesetzgebung an Autos steigt die Anzahl der Embedded-Elektronik, die Daten überträgt, und die Datenmenge, die für Steuer- und Diagnosedaten verwendet wird, steigt noch schneller.  Dies hat die Notwendigkeit geschaffen, mehr Daten innerhalb des Fahrzeugs zu übertragen, um die Funktionen zu erreichen, die heute für Fahrzeuge erforderlich sind.  Aber wie bei allem im Auto sind die Kosten dafür entscheidend und müssen minimiert werden, damit die Industrie sie in großem Umfang einführt.  Das CAN-FD-Protokoll ermöglicht dies durch die Aktivierung von zwei wichtigen Industrieanforderungen:

Erhöhte Kommunikationsbandbreite der Fahrzeugelektronik

Die ursprüngliche CAN-Spezifikation gemäß ISO 11898 beschränkt die Netzwerkkommunikation auf eine maximale Bandbreite von 1 Mbit/s.  Diese Einschränkung veranlasst Automobilzulieferer und Hersteller, weiterhin das CAN-Protokoll verwenden zu wollen, zusätzliche CAN-Netzwerke in das Fahrzeug zu entwerfen, um die notwendigen Daten zu übertragen.  Mehr Netzwerke in einem Fahrzeug erfordern jedoch erhebliche zusätzliche Verbindungen, was das Gewicht des Fahrzeugs erhöht und die Leistung des Fahrzeugs und die Kraftstoffeffizienz verringert. 

CAN FD löst das Problem der Bandbreitenbeschränkung, indem es Bitraten von mehr als 1 Mbit/s zulässt und gleichzeitig die Unterstützung von Nutzdaten in einer CAN-FD-Nachricht über dem vorherigen Maximum von 8 Byte erhöht.  Viele Automobilhersteller prüfen noch die Bitraten, die sie im Auto verwenden werden, aber einige der gängigsten sind 2 und 5 Mbit/s, während andere die Verwendung von bis zu 8 Mbit/s für Schlüsselanwendungen wie ECU-Blitzen und das Übertragen langer Nachrichten prüfen.  CAN-FD-formatierte Frames erhöhen die Nutzdatenunterstützung erheblich, indem sie bis zu 64 Bytes in einer einzigen Nachricht zulassen.

Abbildung 1: Eine schnellere Bitrate für CAN-FD-Nutzdaten ermöglicht es, dass mehr Daten in eine einzelne Nachricht passen.

Minimale Upgrade- und Migrationskosten

Außerhalb von CAN gibt es andere fahrzeugeigene Netzwerke mit höheren Kommunikationsbandbreiten als 1 Mbit/s.  Diese Netzwerke, wie FlexRay und Automotive Ethernet, unterscheiden sich jedoch erheblich von der CAN-Physikschicht, was bedeutet, dass eine Änderung zu ihrer Unterstützung anstelle von CAN für die Zulieferer und OEMs sehr teuer ist. 

CAN FD ist auch für dieses Problem ideal, da die physikalische Schicht die gleiche wie Hochgeschwindigkeits-CAN ist.  Der einzige Unterschied in der Hardware besteht darin, einen neuen Protokoll-Controller mit einem qualifizierten Transceiver zu verwenden, der schnellere Geschwindigkeiten ermöglicht.  Auch die Softwareänderungen sind minimal, da das Nachrichtenformat sehr ähnlich ist.  Bei CAN-FD-Nachrichten mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Mbit/s und 8 Byte Nutzdaten sind keine Softwareänderungen erforderlich.

Es gibt viele Gemeinsamkeiten zwischen einem typischen CAN-Nachrichtenformat und dem Format einer CAN-FD-Nachricht, aber es gibt einige wesentliche Unterschiede, die berücksichtigt werden müssen.  Die wichtigsten Ergänzungen und Spezifikationen für das CAN-FD-Nachrichtenformat sind unten aufgeführt:

Abbildung 2: Das CAN-FD-Nachrichtenformat enthält spezifische Felder für größere Nutzdaten und schnellere Bitraten.

• Erweiterte Datenlänge (EDL): das reservierte Bit nach der IDE oder nach dem RTR-Bit in einem Standard-CAN-Frame, das rezessiv übertragen wird.
• r1, r0: r1 ist für zukünftige Protokollerweiterungen reserviert und r0 wird für die Neusynchronisation vor der optionalen Bitratenumschaltung verwendet.  Beide Bits werden dominant übertragen.
• Bitratenschalter (BRS): Eine dominante Übertragung bedeutet, dass die Bitrate in der Datenphase mit der Arbitrierungsphase übereinstimmt, während eine rezessive Übertragung eine höhere Bitrate für die Datenphase bedeutet.
• Fehlerzustandsanzeige (ESI): dominante Übertragung für fehleraktiv und rezessive Übertragung für fehlerpassiv.
• Datenlängencode (DLC): DLC-Werte im Bereich von 1001 bis 1111 werden zur Angabe der Datenlängen von 12, 16, 20, 24, 32, 48 und 64 Byte verwendet.
• Zyklische Redundanzprüfung (CRC): Die Länge des CRC hängt von der Länge des DLC und EDL ab. Der CRC beträgt 15 Bit für CAN-Nachrichten und entweder 17 oder 21 Bit für CAN FD.

Die CAN-Schnittstellen der NI-XNET-Familie sind leistungsstarke Module, die sich leicht an neue Standards und Protokolle anpassen lassen.  Alle NI-XNET CAN-Schnittstellen, die Hochgeschwindigkeits-CAN-Kommunikation unterstützen, unterstützen CAN FD mit Bitraten bis zu 8 Mbit/s, da die CAN-FD-Physikschicht der von Hochgeschwindigkeits-CAN sehr ähnlich ist. 

Die Liste der derzeit angebotenen Geräte, die CAN-FD-Kommunikation unterstützen, ist unten aufgeführt:

• NI-9862
• USB-8502
• NI PXI-8513/2
• NI PXI-8513
• NI PXI-8512/2
• NI PXI-8512
• NI PCI-8513/2
• NI PCI-8513
• NI PCI-8512/2
• NI PCI-8512
• PCIe-8510 mit TRC-8542 oder TRC-8543
  
• PXIe-8510 mit TRC-8542 oder TRC-8543
• NI-9860 mit TRC-8542 oder TRC-8543

Diese Schnittstellen in Kombination mit der leistungsstarken und intuitiven NI-XNET API bieten Ingenieuren flexible Tools für CAN-FD-Tests und -Simulationen während des gesamten Entwicklungszyklus.