CAN(Controller Area Network)即控制器局域網,是國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式,CAN總線已被廣泛應用到各個自動化控制系統中。然而隨著系統復雜性和通信量的增加,傳統的CAN總線由于帶寬的限制已經難以滿足市場應用的需求。為了進一步提高傳輸速率,CAN總線的升級版——CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)應運而生。
在2015年4月15日舉辦的“CAN/CANopen技術研討會”上,CiA國際用戶與制造商聯合組織主席Holger Zeltwanger介紹了CAN FD技術及其高層協議的發展現狀及未來趨勢。同時,廣州致遠電子股份有限公司市場經理黃敏思先生從CANopen的故障排查分析了底層設計對應用層的影響。
Holger Zeltwanger:CAN FD的現狀及未來
在汽車領域,隨著人們對數據傳輸帶寬要求的增加,傳統的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。以某公司E系轎車為例,其第一代產品W124只配備了一個電子網絡,包含7個ECU,報文條數小于100條。其最新一代產品W212,配備了9個電子網絡,ECU總數為67個,報文條數高達6000條。這已經接近了CAN總線的負荷極限。除此之外,汽車制造商還提出了高帶寬、高吞吐量、數據鏈路層可靠性、低功耗等要求,同時他們還希望新一代的技術標準物理層具有和傳統CAN相似的魯棒性,且不會帶來培訓投入和硬件成本的增加。CAN FD技術滿足了上述所有要求。
CAN FD是CAN總線的升級換代設計,它繼承了CAN總線的主要特性,提高了網絡通信帶寬,雖然增加了數據包的大小,但它通過CRC校驗,同樣能滿足數據安全的要求。
“CAN FD最早被提出來是在2000年,因為當時工業市場對這方面的需求不旺盛,因此該提議停止在理論階段,其正式發布是在2012年的第13屆iCC大會上。同年,我們正式向國際標準委員會提出國際標準授權申請。在2015年年初,向國際標準委員會遞交了最新的CAN FD協議?！?Holger Zeltwanger分析道:“CAN FD可以有效提高車載網絡的數據傳輸速率。這是因為,CAN FD采用了兩種位速率,在CAN FD報文通信時,仲裁段和數據控制段使用標準的通信波特率,而數據段時會切換到更高的通信波特率。其次,CAN FD對數據場的長度作了很大的擴充,意味著CAN FD具有更高的有效傳輸負載。在相同時間下,CAN FD的有效傳輸負載是CAN傳輸負載的8倍?！?/p>
談及CAN FD技術的發展規劃,Holger Zeltwanger表示,2015年CiA將在全球重點推廣CAN FD技術。2015年年中,將發布CiA601系列(CAN FD設計與指導建議)。之后還將發布ISO1898-1:2015(CAN FD數據鏈路層)和CiA301 5.0版(CANopen FD)。2015年年底,發布ISO 16845-1:2015(CAN FD一體化測試)。2016年年初,將發布CiA602系列(CAN FD與重型車輛)。預計2016年年底至2017年年初,第一款CAN FD的應用將上線。
黃敏思:談CANopen的故障排查
因為CAN協議本身并不完整,只定義了物理層和數據鏈路層,并沒有規定應用層,因此需要高層協議來定義CAN報文中的11/29位標識符和8字節數據的使用。同時要求該高層協議能夠支持各種設備的互用性、互換性;能夠實現在CAN網絡中提供標準的、統一的系統通訊模式;能夠提供設備功能描述方式并執行網絡管理功能。
CANopen是CiA定義的CAN應用層標準之一,主要應用于車輛工業、工程機械、智能建筑、醫療器械、航海機具、實驗室器材及研究領域。CANopen規范允許以廣播方式傳遞信息,也支持點對點收發數據,用戶通過CANopen對象字典來執行網絡管理、數據傳輸等操作。CANopen還具有抗干擾及多主站應用特性,可以形成實際的主站冗余備份,使得控制更安全。
因為在實時性、協議完整性、不同廠家設備可互操作性較強。CANopen目前在國內已經有了非常普遍的應用。例如軌道交通車輛與低速城際列車、工程機械、電機驅動伺服等場合。
黃敏思表示:“致遠電子作為CAN總線的領軍企業,經常要參與用戶的CAN故障處理。在應用層協議的故障排查中發現,造成應用層錯誤的很多原因是底層CAN的設計?！?nbsp;
在理論分析的基礎上,黃敏思分別以最具代表性的8種CANopen故障為例,分析了如何從CANopen應用層現象分析CAN底層的設計問題。這些常見的故障包括現場通訊不穩定、通訊遲緩、高/低溫時不能通訊、通訊不暢、多加一個節點時通訊不正常、無法重現的偶發性故障等?
對此,黃敏思推薦了用于CANopen故障排查利器的利器——CANScope分析儀。CANScope分析儀可以同時提供波形和數據的同步接收和存儲,相當于集成了4臺儀器,可以對波形進行眼圖分析、FFT分析、信號質量分析等。它集成豐富的軟件插件,支持車載DBC解碼、CANopen、J1393協議、國網充電樁與BMS協議分析等。
黃敏思指出,CAN總線故障排查中,難點最大的就是偶發性故障。讓用戶甚至CAN專家都無法準確判斷問題的源頭。針對這類問題,黃敏思介紹了CAN總線偶發性故障排查與解決的利器——CANREC記錄分析儀,用于在航空航天、軌道交通、船舶電子、汽車整車廠等對可靠性要求高的場合做故障排查。
在研討會上,來自德國Etas公司、中國Kvaser、廣州虹科電子技術有限公司的技術專家分別就CAN FD在汽車工業的應用、CAN FD物理層診斷、CANopen開發等議題發表演講,并于與會聽眾展開熱烈交流。