CAN FD如何满足工业设备对高效数据通信的需求？

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）作为CAN总线的升级版，CAN FD（CAN with Flexible Data rate）在数据长度和带宽方面做了明显的拓展和增强，满足工业和汽车应用对高速通信的需求。在工业领域，CAN FD被越来越多地应用于工业控制和工业通信等场景。

 

CAN FD特征性能和注意事项

相比于传统CAN协议，CAN FD最大的两个特点是采用可变速率和单帧最长64字节数据。通过将每个数据帧最多支持64个数据字节，相比传统CAN的8个数据字节，减少了相同数据传输的协议开销，提升了传输效率。
 
可变速率具体表现为，CAN FD的控制位的首位由传统CAN的RTR变为RRS，该位始终是显性（0）。第三个控制位在传统CAN中属于保留功能，在CAN FD变为FDF，为隐性（1）。通过这样的设计，CAN FD从控制段中的BRS位到ACK段之前（含CRC分界符）为可变速率（理论最大可达12Mb/s），其余部分为原CAN总线用的速率。
 
从CAN升级到CAN FD，有一些新增的位字段，比如上面提到的FDF位、BRS位和ESI位。这里的ESI位为Error State Indicator位，用于指示发送节点的错误状态。当ESI位为显性时，表示发送节点处于主动错误状态；当ESI位为隐性时，表示发送节点处于被动错误状态。
 
虽然CAN FD是向后兼容传统CAN的，不过传统CAN应用升级到CAN FD应用时，也需要注意一些细节。比如，采样点对通信的影响，当传统CAN网络拓扑升级到CAN FD网络拓扑时，节点的软/硬件均需要有所改变，收发机和控制器都需要选择CAN FD对应的。在控制器中，当网络拓扑增加了CAN FD节点之后，需要至少两个通信CAN FD节点，增加了CAN FD节点，需要Classic CAN节点设置CAN ID的过滤功能，这样就会避免出现错误帧。
 
还有一个经常遇到的是传统CAN和CAN FD的共存问题，未来的CAN网络，较长时间内都会存在着传统CAN与CAN FD并存的情况。这部分需解决速率切换的问题，对实时性要求高的节点会率先采用CAN FD，其他对实时要求不高的节点仍然会使用传统CAN。在这样的网络拓扑中，通信可以全部选择由CAN FD路由器进行转发，因为CAN FD协议是先后兼容传统CAN的。
 

CAN FD的工业应用

在工业领域，CAN FD通信被用于连接各种工业设备和传感器。通过高速的数据传输，可以实时监控设备的运行状态，提高生产效率和维护效率。目前，CAN FD在工业领域已经拥有了完备的产品和方案支持。
 
首先，带CAN FD接口的MCU选择是非常丰富的，无论是德州仪器、瑞萨、英飞凌和恩智浦等国际大厂，还是赛元微、灵动微、兆易创新等国内厂商，都提供具有CAN FD接口的MCU，满足工业领域广泛的应用。
 
以灵动微电子MM32F0160系列MCU为例，该系列MCU具有一个 FlexCAN 模块，该模块遵循ISO 11898-1标准、CAN FD和CAN 2.0B协议规范，不仅兼容传统CAN，还支持CAN FD模式。在CAN FD模式下，可实现最高8 Mbps的FD模式通信速率，支持标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符），支持最大64字节有效负载，并且具有非常灵活的用于传输和接收的邮箱系统。
 
再比如新唐科技带CAN FD接口的MCU/MPU产品M253、M463、M467等，最高可支持到4路接口。其中，M467芯片通过4路CAN FD接口与多个电池包进行通信，以获取电池包数据。该应用要求实现稳定的5Mbps以上传输速率，并采用新唐独有的HyperBus外接HyperRam来存储临时数据。相对于SRAM，HyperRam具有更低的功耗和成本。随后，数据通过以太网口传递给监测端进行处理。
 
为了提升产品的易用性，处理器厂商也会通过自主研发或者合作研发来提供开发板，比如MD9360核心板，搭载芯驰D9-Pro六核Cortex-A55处理器，主频高达1.6GHz，支持16路串口、4路CAN FD及2路千兆网。这款核心板可用于工业领域的运动控制、工程机械和显示终端等场景。
 
上述提到了CAN FD的收发，相关的方案也是非常丰富，比如德州仪器的TCAN3413和TCAN3414就是符合ISO 11898-2:2016高速CAN规范物理层要求的控制器局域网 (CAN) FD收发器。此类收发器具有经过认证的电磁兼容性 (EMC)，适用于数据速率高达5兆位/秒 (Mbps) 的传统CAN和CAN FD网络。这些器件可以在更简单的网络中实现高达8Mbps的运行速度。德州仪器的TCAN3413和TCAN3414主要应用场景包括工厂自动化、电网基础设施、工业运输、电机驱动器等。
 

结语

在需要高速数据交换的复杂工业自动化系统中，如高速机器人控制、实时监控系统等，CAN FD的需求还是比较强劲的，填补了传统CAN和以太网之间的差距，无论MCU，还是收发器，抑或者是转接口，目前工业级CAN FD的产品类型是非常丰富的。