"CAN FD", özel amaçlı makine sanayi alanında şebeke ağlarına ve endüstriyel Ethernet’e meydan okuyor

CAN FD; devre sayısı, transfer hızı ve döngü sayısının yüksek olması talep edildiğinde dahi mevcut CAN sistemlerinin ve CAN bilgilerinin kullanılmasına olanak sağlamaktadır. HMS'den Thomas Waggershauser bunun nasıl olduğunu açıklıyor.

CAN tabanlı işletim sistemleri genellikle özel amaçlı makinelerde CAN-açma gibi standart protokoller ve tescilli çözümler için kullanılmaktadır. CAN tabanlı makine ağ iletişiminin avantajları ağ üzerindeki basit veri yapısı, ucuz ve oldukça esnek uygulama, mevcut ağların kolayca genişletilebilmesi ve arıza durumunda sistemin pratik biçimde analiz edilebilmesidir.

CAN FD'nin olası uygulamaları
Devre sayısı, transfer hızı ve döngü sayısındaki artan talepler klasik CAN'in (8 veri bit ve 1 Mbit/s veri hızı) sınırlı özellikleri ile gerçekleştirilmesi mümkün olmayan tıkanıklıklara neden olur: Ağ genişlemesine ve hizmet ile analog verinin kısa veri uzunluğuna bağlı olan veri hızı burada önemli bir rol oynar.

Günlük kullanımda bu sınırlı özellikler genellikle bazı tavizler verilerek aşılır: farklı uygulamalarda sistemin farklı ağ segmentlerine - veya hatta paralel ağlara ayrılması gibi; bu da mevcut olan teknolojinin sürekli tüketilmesi gibi konfigürasyon, kurulum ve bakım açısından karmaşık ve pahalı çözümlere neden olur. Prensip olarak, yüksek performanslı endüstriyel Ethernet teknolojisine geçiş yapmak mümkündür. Genellikle bu konudaki yatırımların artması gerekir ve veri yapılarındaki değişiklikler ve konfigürasyon için yaklaşım tarzını değiştirmek özellikle de kapsamlı ağlardaki zaman kontrollü sistemlerde sıklıkla zorlu bir görev haline dönüşmektedir. Ayrıca, gelişim, hizmete alma ve hizmet konusundaki araçların değişimi gereklidir ve bu durum da genellikle kullanıcıları kapsamlı bir dönüşüm yapmaktan vazgeçirmektedir.

Aynı zamanda, kullanışlılık açısından mevcut olan uzmanlık bilgisini kullanmaya devam etmek için bir istek vardır.

İşte burada CAN FD görevini yapmaktadır: CAN FD (esnek veri hızına sahip CAN) Bosch tarafından 2012 yılında tanıtılan ve bilinen "klasik" CAN'in genişletilmiş versiyonudur ve kullanılabilir veri hızı ile kullanılabilir veri uzunluğunu önemli ölçüde genişletmektedir. Diğer taraftan denenen ve test edilen CAN konseptleri sabit kalmıştır: mesaj ID bazlı çözümler, mesajların olaylara bağlı olarak dağıtılması ve teslim biti yoluyla alınan mesajların teslimi gibi.

Geliştirilmiş veri hızı
Alıcılar tarafından klasik CAN'de kullanılan mesajın alınması; iletilen mesaj içerisinde iletimin başarısını onaylayarak birçok avantaj sağlamaktadır. Bu sayede potansiyel iletim hataları hızlıca belirlenmekte ve veri çok hızlı biçimde yeniden iletilmektedir.
CAN tanımlayıcısına bağlı olarak mesajların iletilmesi ayrıca veri iletimi sırasında çakışmaları önleyerek ve daha büyük hat yüklerinde yüksek öneme sahip mesajların kısa gecikme süreleri ile iletilmesini sağlayarak kontrol uygulamalarında avantajlar sağlamaktadır.

Kullanılan yöntemlerin dezavantajı, numune alma sırasında hataları önlemek amacıyla tüm ağlarda aynı veri yolu seviyesinin sağlanması gerekliliğidir. Bundan dolayı, ağ üzerindeki en uzak iki devre arasındaki yeterli sinyal ilerleme süresini, bunların ağ yolu aktivasyonu ile birlikte bir bit aralığı sağlar. Bu nedenle bit aralığı ve dolayısıyla veri hızı doğrudan ağ genişlemesine bağlıdır; 40 m genişlemede 1Mbit/s mümkündür ancak 250 m genişlemede 250 kBit/s hızına düşmektedir.

Mevcut iletişim teknolojilerini değiştirmeden veri hızını önemli ölçüde yükseltmek için CAN FD iki farklı bit hızı ile çalışır. Kontrol komutları için "tahkim hızı" (tahkim, mesaj tipi, nokta tespiti ve alındı bilgisi dâhil olmak üzere) yayılma hızına ve dolayısıyla ağ genişlemesine bağlıdır. Tam tersi olarak, ikinci "veri bit hızı" da opsiyonel olarak veri içeriği ve güvenliği için kullanılır. Bu durumda sadece mesaj ileticisi ağ yolunu kullanır, bu da bit süresi içerisinde direkt geribildirim almanın gereksiz olması anlamına gelir. Ulaşılabilecek maksimum veri hızı bu nedenle sinyal yayılımına değil, sadece iletilen medyanın iletim özelliklerine bağlıdır. CAN FD ağları şu anda 8 Mbit/s ile verimli kullanım sağlamakta, bu sayede CAN FD standart olarak 15 Mbit/s'ye kadar izin vermektedir. Bu bit hızı ayrıca başarılı bir şekilde birçok test sistemlerinde kullanılmaktadır.

İki veri hızı birbirlerinden bağımsız olarak CAN FD kontrolü üzerinde iki bit zamanlama kayıtları kullanılarak ayarlanır. İki veri hızı arasındaki değişim, protokolda yer alan iki kontrol biti ile gerçekleştirilir. O ana kadar rezerve edilen ilk bit "Genişletilmiş Veri Uzunluğu" biti olarak kullanılır ve CAN FD mesajını resesif seviyesine göre tanımlar. Asıl bit hızı değişimi "Bit Hızı Değişimi" biti (BRS) adı verilen, daha yüksek bir bit hızına örnekleme süresi içerisinde geçiş yapan yeni eklenen bit ile gerçekleştirilir. Geri döndürme ise CRC kısıtlama biti örneklendiğinde gerçekleştirilir.


Görüntü 1: CAN FD'nin avantajları – 1
Bu örnekte, toplam 42 bit konfigürasyon verisi iletilmiştir. Bunu klasik CAN ile yaparken; tüm veri miktarını 8-bit mesajlarla iletebilmek amacıyla bir iletim protokolü uygulanmalıdır. Örnek, veri akışını kontrol etmek için sadece ilk veri bitini kullanan model iletim protokolüne dayandırılmıştır. Bunun anlamı 7 bite kadar her CAN mesajı için hala müsait olmasıdır. Uygulanan iletim protokolüne bağlı olarak, ek veri alanları da kontrol için gerekebilir. Karşılaştırıldığında bunun altında, 48 bit kullanıcı verisi ile 6 klasik CAN mesajının yerine geçebilen tek bir CAN FD mesajı gerekir. Yukarıda gösterilen CAN FD mesajlarında veri daha yüksek bit hızı ile iletildiğinden, bu CAN FD mesajı klasik CAN mesajlarından çok daha az veri yolu süresine ihtiyaç duyar. Ayrıca, tek bir CAN FD mesajının kullanımı burada veri akışının uygulanmasını önemli ölçüde basitleştirir.

Genişletilen kullanıcı verisi
Kontrol verisi hala bilinen daha düşük bit hızları ile iletilir, bu nedenle ulaşılabilir veri hızını sınırlamaktadır. Kullanıcı veri alanını 64 bite kadar yükselterek, daha çok veri hızlı iletim modunda gönderilebilir ve böylece veri hızı etkin biçimde yükseltilir.

Klasik CAN, artık çoğu veri uygulaması için örneğin yüksek hassasiyetli analog değerlerinin iletimi veya çeşitli kodlama değerleri ve sürüş komutları ile çok-eksenli robotların kontrolü için yeterli olmayan 8 veri bitlerini sağlayabilmektedir. Buna, servis verisi de eklenmelidir. Bu da şimdiye kadar etkinliği, iletim için gereken iletim protokolleri nedeniyle 8 bitten daha fazla düşürmüştür.

CAN FD şu anda 64 veri bite kadar kullanım seçeneği sunmaktadır. Bu şekilde, daha geniş veri blokları tek bir mesajda gönderilmektedir. Özellikle proses verisi sırasında daha karmaşık cihazlar sadece tek bir proses mesajı kullanılarak tamamen kontrol edilebilmektedir. Servis verisi için, tek bir CAN FD mesajı genellikle sadece konfigürasyon verisi ve benzerleri için gerektiğinden iletim protokollerine olan gereksinim düşürülmüştür.

Kontrol verisinin gereksiz biçimde genişlemesinin önüne geçmek amacıyla CAN FD ayrıca 4 bite kadar veri uzunluk kodu kullanmaktadır. 0 ila 8 arasındaki değerler doğrudan klasik CAN'den alınmaktadır. Şimdiye kadar tanımsız olan değerler (9 ila 15, örn: 1001 - 1111) yeni ve genişletilen veri uzunlukları için kullanılır: 0 ila 8 bitin yanında, 12, 16, 20, 24, 32, 48 ve 64 bit de artık kullanıcı verileri için mevcuttur. Bunlardan daha farklı olan veri uzunlukları mevcut değildir, bu nedenle kullanılmayan alanlar "doldurucu değerler" ile takviye edilmelidir.

Veri alanının hızlı iletiminin yanında, etkili kullanılabilir veri hızı CAN FD kullanılarak önemli ölçüde yükseltilebilir ve döngü süresi de gözle görünür biçimde düşürülür. Bu şekilde, 500 kBit tahkim, 4Mbit veri iletimi ve 64 veri bite sahip bir CAN FD ağı 5 Mbit/s üzerinde etkili veri hızına ulaşabilmektedir.


Görüntü 2: CAN FD 2'nin avantajları
Bu şekil, Şekil 1'de gösterilen CAN mesajlarının tek bir zaman çizelgesinde gösterilmiş halidir: klasik CAN için 250 kBit/s veri hızı varsayılmıştır. 8 bit kullanıcı verisine sahip mesajlar (örneğin, iletim protokolü için 1 bit ve kullanıcı için 7 bit) ve maksimum doldurma biti numaraları ile klasik CAN mesajı yaklaşık 500 µs veri yoluna ihtiyaç duyar. Eğer transfer devresi tüm altı mesajı da geciktirmeden arka arkaya gönderebiliyorsa, 42 bitlik kullanıcı verisini ilettiği için veri yolu üç milisaniye boyunca tıkalı olacaktır. Karşılaştırmak gerekirse 48 bit kullanıcı verisine, 250 kBit/s iletim hızına ve 2 Mbit/s veri bit hızına sahip ve ayrıca maksimum doldurma biti ile bir CAN FD mesajı veri yolunu sadece 365 µs meşgul eder. Görünür biçimde daha hızlı olan veri iletimi ayrıca önemli ölçüde kısa olan yanıt sürelerine bağlı olarak CAN sistemlerinin gerçek zamanlı davranışını geliştirir ve aynı zamanda veri hızını yükseltir ve veri uygulamasının karmaşıklığını giderir!

Gerçek zamanlı kapasite
Birçok bağımsız veri paketlerini tek bir mesaj içerisinde kombine etmek, ayrı ayrı mesajların masraflı biçimde birbirleri ile senkronize edilmesi gerekmediğinden veri aktarımının çok daha basit hale getirilmesi anlamına gelir. Klasik CAN ile karşılaştırıldığında daha büyük veri paketlerinin hızlı aktarımı 8 kat daha büyük veri hacminin (64 bit) neredeyse klasik 8-bit CAN mesajı için gereken aynı sürede aktarılmasını sağlar. Bu yolla, yüksek önceliğe sahip olan mesajlar çok daha hızlı biçimde aktarılır ve gerçek zamanlı kapasite geliştirilir.

Veri Güvenliği
Veri güvenliği önemli bir konudur: klasik CAN'e göre daha büyük veri paket boyutuna sahip olmasına rağmen, CAN FD veri güvenliği açısından aynı gereksinimleri karşılamaktadır. Bu, örneğim adapte edilen algoritmalar ile daha uzun CRC kontrol anahtarları kullanımı ile sağlanır. Aktarılan veri bitlerinin sayısına bağlı olarak üç farklı CRC algoritmalarından biri kullanılır: 8 veri bite kadar olan mesajlar için eski CRC formülü, 16 veri bite kadar veya 16 veri bitten büyük mesajlar için iki geliştirilmiş algoritma. CAN kontrolörü tarafından kullanılacak olan algoritma veri uzunluğu kodu tarafından belirlenir.

Geliştirilmiş veri güvenliği için ek öneriler de uygulanmaktadır. Sonuç olarak, CAN FD mesajlarında CRC doldurma biti ile başlar; 5 bitten sonra ek bir doldurma biti eklenir - CAN doldurma biti kuralının tersine, burada önceki bitlerin bit değerlerinden bağımsızdır. Her bir doldurma biti önceki biti tamamlayıcı değerler içerir.

Geri Çevirme Uyumluluğu
CAN'den daha hızlı iletişim sistemlerine geçmenin bir dezavantajı tam bir dönüşüme sıklıkla duyulan ihtiyaçtır: Tüm CAN katılımcıları yeni sisteme EtherCAT gibi adapte edilmelidir. Alternatif olarak makine kontrolörü birden fazla heterojen ağı kullanmak üzere genişletilebilir. Her iki prosedürün de avantajları ve dezavantajları bulunur. CAN FD kullanılarak, ek bir "daha uygun" seçenek artık bulunmaktadır: CAN FD kontrolörleri de klasik CAN devrelerini kullandığından, tüm ağ devreleri CAN FD uyumlu cihazlarla yavaş yavaş değiştirilebilirler. Tüm ağ CAN-FD uyumlu olduktan sonra CAN FD'nin tüm avantajlarından sonuna kadar faydalanabilir. Bağımsız olarak mevcut olan devreler tarafından yerleri alınamayan ağ katılımcıları burada sıklıkla kullanıldığından, özellikle müşteriye özel cihazlar veya dâhili geliştirilmiş cihazlar gibi özel amaçlı makinelerde kullanılmaktadır.

CAN FD için mevcut olan araçlar
CAN FD tabanlı cihazların ve ağların geliştirilmesi, özellikle HMS Ağlarından IXXAT CAN-IB 500/600 PC kartları gibi çeşitli PC ara yüzleri için PC-CAN FD ara yüzlerinin geliştirilmesi için birçok çözüm bulunmaktadır. Bu CAN kartları Windows, Linux ve diğer işletim sistemleri için kapsamlı çeşitlilikte sürücü paketleri içermekte ve mevcut sistemlere kolay bağlantı ile CAN ve CAN FD'yi desteklediklerinden CAN FD ağlarına mevcut yazılım paketlerinin hızla eklenmesine olanak tanımaktadır.

Bunun yanı sıra, ilgili sürücü yazılımı, test ve analiz araçları ile donanım ara yüzleri de CAN FD'nin etkili biçimde uygulanabilmesi için gereklidir. Bu nedenle, HMS yakın zamanda bilinen IXXAT canAnalyser'ın CAN FD uyumlu versiyonunu uygun bir fiyata piyasaya sürerek yüksek performanslı tam çözüm sunacaktır.

Endüstriyel sektörde CAN FD hakkındaki açık konular
Yukarıda bahsedilen cihazların yanı sıra, bir üretim alanında CAN FD kullanımının sayısız önemli boyutu bulunmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda kullanım için standardize edilmiş daha üst protokollerin uygulanması önerilmektedir: CIA (Otomasyonda CAN) işleri CANopen'ı CAN FD'ye dönüştürerek gerçekleştirilmektedir - CAN FD uzantılarını da içeren CANopen V5 özelliklerinin bu yılın ortalarına doğru piyasaya sürülmesi beklenmektedir.

CAN FD kullanımının ekstra ve önemli bir boyutu da, entegre CAN/CAN FD kontrolörleri ile birçok sayıda mevcut olan uygun maliyetli mikro kontrolörlerdir. Şu ana kadar mevcut olan cihazlar çoğunlukla CAN FD IP çekirdeklerine sahip FPGA'lar kullanmaktaydı. Entegre CAN FD mantığı ile mikro kontrolörler genellikle araçlardaki daha karmaşık kontrolör cihazları için yüksek performanslı ögelerdir. Basit, uygun maliyetli ve entegre CAN FD desteğine sahip mikro kontrolörler mevcut olana kadar, FPGA bazlı sistemler en esnek çözümü sunmaya devam edecektir.

Beklentiler
Büyük oranda geliştirilen veri hızları, basit konfigürasyon ve klasik ağ sistemlerinden bilinen analiz saklama seçenekleri ile CAN bazlı çözümlerin uygulama alanını CAN FD genişletmektedir. CAN FD için CANopen'ın yakında mevcut olacak olması, endüstriyel sektörde yeni ağ sistemlerinin kurulması ve 100 kbit/s ila 5 Mbit/s arasında veri hızına sahip ağlar için etkin bir çözüm sunulacağı anlamına gelmektedir. Bağımsız olarak veya birlikte daha yüksek veri hızları veya genişletilmiş veri çerçevesi ile CAN FD'nin esnek dizaynı özel amaçlı makineler için adapte edilebilir bir ağ sistemi olarak mükemmel derecede uyumlu bir buluştur.

  Ask For More Information…