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Pourquoi le CAN FD ?

trait de séparation
La croissance du nombre de nœuds, des taux de transfert et la diminution des temps de cycle conduisent au-delà des limitations du CAN classique (8 octets de données et 1 Mbit/s de débit). Le débit de données qui dépend de l'expansion du réseau et la faible longueur des messages pour les données de service analogiques jouent ici un rôle particulier.

Dans l'utilisation quotidienne, ces limitations sont souvent contournées au moyen de compromis : la division du système en différents segments de réseau selon les applications, ou même en réseaux parallèles, implique que la technologie existante est constamment aux limites et conduit souvent à des solutions complexes et coûteuses en termes de configuration, d'installation et de maintenance. En théorie, un passage à des technologies Ethernet industrielles hautes performances serait possible. Le niveau d'investissement accru, généralement nécessaire, et le changement dans les structures de données ainsi que le mode de pensée pour la configuration, en particulier pour les systèmes à contraintes de temps, représentent souvent un défi considérable dans les réseaux étendus. De plus, un changement d'outils de développement, de mise en service et de maintenance est nécessaire, ce qui dissuade souvent de nombreux utilisateurs d'une conversion complète.

Dans le même temps, il existe un souhait de continuer à utiliser le savoir-faire existant.

C'est là l’intérêt du CAN FD (FD pour taux de données flexible – Flexible Datarate) est une version étendue du CAN "classique", introduit par Bosch en 2012, et qui étend considérablement le débit de données utilisable et la longueur des messages utilisables. En revanche, les concepts CAN éprouvés ont été retenus : arbitrage basé sur les identifiants des messages, envoi des messages piloté par les événements et acquittement des messages reçus au moyen du bit d'acquittement.
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Débit de données amélioré

L'accusé de réception de message par les récepteurs, tel qu’utilisé dans le CAN classique, offre de nombreux avantages en permettant de confirmer le succès de la transmission dans le message transmis - les erreurs de transmission potentielles sont rapidement détectées et les données peuvent être retransmises très rapidement.

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 et en fournissant des temps de latence courts pour les messages hautement prioritaires même pour un niveau de charge élevé du réseau.

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. Par conséquent, un intervalle de bits doit permettre un temps de propagation du signal suffisant entre les deux nœuds les plus éloignés d'un réseau, y compris leur activation du bus. L'intervalle de bits, et par conséquent également le débit de données dépendent donc directement de la dimension du réseau ; Un débit jusqu'à 1Mbit/s est possible pour 40 mètres, mais tombe à tout juste 250kBit/s pour 250 mètres.

Pour augmenter significativement le débit de données sans changer la technologie de communication existante, le CAN FD fonctionne avec deux débits binaires différents. Le "taux d'arbitrage" pour les commandes de contrôle (y compris l'arbitrage, le type de message, la détection de fin et l'accusé de réception) dépend de la vitesse de propagation et donc de l'extension du réseau. En revanche, un deuxième "débit binaire" est également utilisé en option - pour le contenu et la sécurité des données. À ce stade, seul l'émetteur de messages occupe le bus, ce qui signifie qu'une réponse directe dans le temps de bit n'est pas nécessaire. Le débit de données maximal réalisable ne dépend donc que de la caractéristique de transmission du support de transmission et non de la propagation du signal. Les réseaux CAN FD permettent actuellement une utilisation productive avec 8Mbits/s, la norme CAN FD autorisant jusqu'à 15Mbit/s. Ce débit binaire a également été utilisé avec succès dans divers systèmes de test.
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Image 1 : Dans cet exemple, des données de configuration totalisant 42 octets sont transmises. Pour faire celà en CAN classique, un protocole de transport doit être implémenté pour pouvoir transmettre la totalité des données en messages de 8 octets. L'exemple est basé sur un modèle de protocole de transport qui utilise uniquement le premier octet de données pour contrôler le flux de données. Cela signifie que jusqu'à 7 octets sont toujours disponibles pour chaque message CAN. Selon le protocole de transport mis en œuvre, des champs de données supplémentaires peuvent être nécessaires pour le contrôle.

En dessous, par comparaison, un seul message CAN FD avec 48 octets de données utilisateur peut remplacer 6 messages CAN classique. Comme les données sont également transmises à un débit binaire plus élevé dans le message CAN FD illustré ci-dessus, ce message CAN FD nécessite beaucoup moins de temps de bus que les messages CAN classiques. De plus, l'utilisation d'un seul message CAN FD simplifie considérablement l'administration du flux de données.

Les deux débits de données sont définis indépendamment l'un de l'autre dans le contrôleur CAN FD à l'aide de registres de synchronisation à deux bits. La commutation entre les deux débits de données est effectuée à l'aide de deux bits de contrôle dans le protocole. Le premier bit réservé jusqu'à présent est utilisé comme bit "Extended Data Length" (EDL), et définit un message CAN FD en raison de son niveau récessif. Le changement de débit binaire réel est effectué par un bit nouvellement ajouté, le bit "Bit Rate Switch" (BRS), dans lequel un passage au débit binaire supérieur est effectué au moment de l'échantillonnage. La commutation est réalisée au moment où le bit de restriction CRC est échantillonné.

Données utilisateur étendues

Les données de contrôle sont toujours transmises en utilisant les débits binaires inférieurs bien connus, limitant ainsi les débits de données 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 de données.

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 à plusieurs essieux avec ses diverses valeurs d'encodage et commandes d'entraînement. Il faut également y ajouter des données de service, ce qui a jusqu'à présent considérablement 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. Ce faisant, des blocs de données plus volumineux peuvent être transmis dans un seul message - en particulier dans le cas des données de processus, les appareils plus complexes peuvent désormais être complètement contrôlés à l'aide d'un seul message de processus. 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.
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Image 2 : Ce schéma montre les messages CAN affichés dans l'image 1 dans une seule chronologie : pour le CAN classique, un débit de 250kBit/s est supposé ici. Pour les messages avec 8 octets de données utilisateur (1 octet pour le protocole de transport et 7 octets de données utilisateur dans l'exemple) et le nombre maximal possible de bits de remplissage, un message CAN classique nécessite environ 500 µs de temps de bus. Si le nœud émetteur est capable d'envoyer les six messages consécutifs sans délai, le bus sera complètement bloqué pendant trois millisecondes pour transmettre les 42 octets de données utilisateur.

En comparaison, un message CAN FD avec 48 octets de données utilisateur, avec un taux d'arbitrage de 250kBit/s et un débit de données de 2MBit/s, n'occupe le bus que pendant environ 365 µs - également avec le nombre maximum de bits d’information.

La transmission de données beaucoup plus rapide améliore également le comportement en temps réel des systèmes CAN, en raison des temps de réponse nettement plus courts, et augmente en même temps le débit de données tout en réduisant la complexité de l'administration des données !

Pour éviter d'étendre inutilement les données de contrôle, CAN FD utilise également seulement 4 bits pour le code de longueur des données - les valeurs 0 à 8 sont prises directement à partir du CAN classique. Les valeurs jusqu'alors non définies (9 à 15, soit 1001 à 1111) sont utilisées pour les nouvelles longueurs de données étendues : outre 0 à 8 octets, 12, 16, 20, 24, 32, 48 et 64 octets sont désormais également disponible pour les données utilisateurs. Les longueurs de données qui diffèrent de celles-ci ne sont pas possibles, c'est-à-dire que les zones inutilisées doivent être complétées avec des "valeurs de remplissage".

Outre la transmission rapide de la zone de données, le débit de données effectivement utilisable peut être considérablement augmenté à l'aide du CAN FD, et le temps de cycle peut être considérablement réduit. De cette manière, un réseau CAN FD avec un arbitrage de 500kBits, une transmission de données de 4MBit et 64 octets de données peut atteindre un débit de données effectif de plus de 5 MBit/s.

Capacité temps réel

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

Sécurité des données

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

Pour améliorer la sécurité des données, des suggestions supplémentaires ont été mises en œuvre. Par conséquent, le CRC dans les messages CAN FD commence toujours par un bit de remplissage ; après 5 autres bits, un bit de remplissage supplémentaire est inclus - contrairement à la règle du bit de remplissage CAN, il est indépendant des valeurs de bits des bits précédents. Chaque bit de remplissage a la valeur complémentaire du bit précédent.

Rétrocompatibilité

L’inconvénient majeur du passage du CAN à des systèmes de communication plus rapides est en général l'exigence d'une conversion complète : tous les participants CAN doivent être adaptés au nouveau système, par ex. EtherCAT. Alternativement, le contrôleur de la machine peut être étendu pour utiliser plusieurs réseaux hétérogènes. Les deux procédures offrent des avantages et des inconvénients. En utilisant le CAN FD, une option supplémentaire "plus douce" est désormais également disponible : les contrôleurs CAN FD pouvant également être utilisés comme nœuds CAN classiques, tous les nœuds du réseau peuvent être progressivement remplacés par des appareils compatibles CAN FD. Dès que l'ensemble du réseau est compatible CAN FD, les avantages de CAN FD peuvent être exploités au maximum. Ceci est particulièrement intéressant pour les machines spéciales, car les participants au réseau qui ne peuvent pas être remplacés par des nœuds librement disponibles sont souvent également utilisés ici - en particulier, les appareils spécifiques au client ou les appareils développés en interne.
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