CAN(Controller Area Network)即控制器局域网,是国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式,CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。然而随着系统复杂性和通信量的增加,传统的CAN总线由于带宽的限制已经难以满足市场应用的需求。为了进一步提高传输速率,CAN总线的升级版——CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)应运而生。

在2015年4月15日举办的“CAN/CANopen技术研讨会”上,CiA国际用户与制造商联合组织主席Holger Zeltwanger介绍了CAN FD技术及其高层协议的发展现状及未来趋势。同时,广州致远电子股份有限公司市场经理黄敏思先生从CANopen的故障排查分析了底层设计对应用层的影响。

Holger Zeltwanger:CAN FD的现状及未来

在汽车领域,随着人们对数据传输带宽要求的增加,传统的CAN总线由于带宽的限制难以满足这种增加的需求。以某公司E系轿车为例,其第一代产品W124只配备了一个电子网络,包含7个ECU,报文条数小于100条。其最新一代产品W212,配备了9个电子网络,ECU总数为67个,报文条数高达6000条。这已经接近了CAN总线的负荷极限。除此之外,汽车制造商还提出了高带宽、高吞吐量、数据链路层可靠性、低功耗等要求,同时他们还希望新一代的技术标准物理层具有和传统CAN相似的鲁棒性,且不会带来培训投入和硬件成本的增加。CAN FD技术满足了上述所有要求。

CAN FD是CAN总线的升级换代设计,它继承了CAN总线的主要特性,提高了网络通信带宽,虽然增加了数据包的大小,但它通过CRC校验,同样能满足数据安全的要求。

“CAN FD最早被提出来是在2000年,因为当时工业市场对这方面的需求不旺盛,因此该提议停止在理论阶段,其正式发布是在2012年的第13届iCC大会上。同年,我们正式向国际标准委员会提出国际标准授权申请。在2015年年初,向国际标准委员会递交了最新的CAN FD协议。” Holger Zeltwanger分析道:“CAN FD可以有效提高车载网络的数据传输速率。这是因为,CAN FD采用了两种位速率,在CAN FD报文通信时,仲裁段和数据控制段使用标准的通信波特率,而数据段时会切换到更高的通信波特率。其次,CAN FD对数据场的长度作了很大的扩充,意味着CAN FD具有更高的有效传输负载。在相同时间下,CAN FD的有效传输负载是CAN传输负载的8倍。”

谈及CAN FD技术的发展规划,Holger Zeltwanger表示,2015年CiA将在全球重点推广CAN FD技术。2015年年中,将发布CiA601系列(CAN FD设计与指导建议)。之后还将发布ISO1898-1:2015(CAN FD数据链路层)和CiA301 5.0版(CANopen FD)。2015年年底,发布ISO 16845-1:2015(CAN FD一体化测试)。2016年年初,将发布CiA602系列(CAN FD与重型车辆)。预计2016年年底至2017年年初,第一款CAN FD的应用将上线。

黄敏思:谈CANopen的故障排查

因为CAN协议本身并不完整,只定义了物理层和数据链路层,并没有规定应用层,因此需要高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符和8字节数据的使用。同时要求该高层协议能够支持各种设备的互用性、互换性;能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式;能够提供设备功能描述方式并执行网络管理功能。

CANopen是CiA定义的CAN应用层标准之一,主要应用于车辆工业、工程机械、智能建筑、医疗器械、航海机具、实验室器材及研究领域。CANopen规范允许以广播方式传递信息,也支持点对点收发数据,用户通过CANopen对象字典来执行网络管理、数据传输等操作。CANopen还具有抗干扰及多主站应用特性,可以形成实际的主站冗余备份,使得控制更安全。

因为在实时性、协议完整性、不同厂家设备可互操作性较强。CANopen目前在国内已经有了非常普遍的应用。例如轨道交通车辆与低速城际列车、工程机械、电机驱动伺服等场合。

黄敏思表示:“致远电子作为CAN总线的领军企业,经常要参与用户的CAN故障处理。在应用层协议的故障排查中发现,造成应用层错误的很多原因是底层CAN的设计。”

在理论分析的基础上,黄敏思分别以最具代表性的8种CANopen故障为例,分析了如何从CANopen应用层现象分析CAN底层的设计问题。这些常见的故障包括现场通讯不稳定、通讯迟缓、高/低温时不能通讯、通讯不畅、多加一个节点时通讯不正常、无法重现的偶发性故障等?

对此,黄敏思推荐了用于CANopen故障排查利器的利器——CANScope分析仪。CANScope分析仪可以同时提供波形和数据的同步接收和存储,相当于集成了4台仪器,可以对波形进行眼图分析、FFT分析、信号质量分析等。它集成丰富的软件插件,支持车载DBC解码、CANopen、J1393协议、国网充电桩与BMS协议分析等。

黄敏思指出,CAN总线故障排查中,难点最大的就是偶发性故障。让用户甚至CAN专家都无法准确判断问题的源头。针对这类问题,黄敏思介绍了CAN总线偶发性故障排查与解决的利器——CANREC记录分析仪,用于在航空航天、轨道交通、船舶电子、汽车整车厂等对可靠性要求高的场合做故障排查。

在研讨会上,来自德国Etas公司、中国Kvaser、广州虹科电子技术有限公司的技术专家分别就CAN FD在汽车工业的应用、CAN FD物理层诊断、CANopen开发等议题发表演讲,并于与会听众展开热烈交流。