Klasik CAN ve CAN FD: neler değişti, neler aynı kaldı, sırada ne var

01CAN'in ikinci bir kuşağa neden ihtiyacı vardı

Klasik CAN, 1980'lerde kısa kontrol değerleri paylaşan bir avuç ECU için tasarlandı. Araçlar karmaşıklaştıkça sınırlarından ikisi belirleyici hâle geldi. Birincisi yük: çerçeve başına sekiz veri baytıyla, yazılım indirmesinden teşhis yanıtına kadar daha büyük her şey, her biri 44 ila 64 bitlik protokol yükü taşıyan çok sayıda çerçeveye bölünmek zorundadır. İkincisi hız: klasik CAN 1 Mbit/s'yi aşamaz ve gerçek araç ağları nadiren 500 kbit/s'nin üstüne çıkar; çünkü arbitrasyon sırasında her bit, örneklenmeden önce hat boyunca gidip dönmek zorundadır.

Yeni ihtiyaçlar bu sınırları can sıkıcı hâle getirdi. Sürücü destek fonksiyonları daha büyük veri kümeleri paylaşıyor; BM Regülasyonu No. 155 gibi güvenlik gereksinimleri üreticileri, doğrulama kodları her çerçevede yer isteyen kimliği doğrulanmış araç içi mesajlara yöneltti; servis ortamında onlarca ECU'yu yeniden programlamak da sekiz baytlık çerçevelerle çok daha uzun sürüyor. Bosch, CAN FD'yi (esnek veri hızı) 2012'de yayımladı; ISO ise onu ISO 11898-1:2015 ile standartlaştırdı.

02Neler aynı kalıyor

CAN FD yeni bir ağ değil, bir evrimdir. Aşağıdakilerin tamamı değişmeden devam eder:

• Ortam: CAN fiziksel katmanı yazısında anlatılan aynı bükümlü çift, aynı 120 Ω sonlandırma ve aynı resesif ve dominant gerilim seviyeleri.
• Arbitrasyon: tanımlayıcılar hâlâ 11 veya 29 bittir; hâlâ bit bit çözülür, hâlâ veriyi bozmaz ve her zaman nominal bit hızında yürür.
• Onay, hata bildirimi ve hata sınırlama: CAN çerçeveleri ve arbitrasyon yazısındaki aynı hata türleri, hata bayrakları, sayaçlar ve bus-off kuralları.
• Üst katmanlar: ISO 15765-2 taşıma katmanı, UDS ve J1939, yeniden tasarlanmadan, yalnızca büyük çerçevelere uyarlanarak CAN FD üzerinde çalışır.

03Bit bit CAN FD çerçevesi

Görünür farklar, klasik CAN'in ayrılmış bitlere yer bıraktığı kontrol alanında toplanır:

FDF: yeni formatın duyurusu

FD format biti, klasik CAN'deki ayrılmış r0 bitinin yerinde durur ama resesif gönderilir. CAN FD denetleyicisi bunu okur ve FD çerçeve düzenine geçer. Klasik bir denetleyici ise bu ayrılmış konumda her iki seviyeyi de kabul eder, sonraki bitleri DLC ve veri olarak okumayı sürdürür ve ilerleyen bitlerde kaçınılmaz olarak bir hatayla karşılaşır; bunun en sık nedeni, veri fazının onun izleyebileceğinden hızlı olmasıdır. Ardından bir hata bayrağı göndererek FD çerçevesini tüm düğümler için bozar. Aşağıda ele alınan bir arada çalışma sorularının hepsinin kökü bu tek gerçektir.

BRS: bit hızını değiştirmek

BRS resesifse, tüm düğümler BRS bitinin örnekleme noktasında nominal hızdan veri bit hızına geçer ve CRC ayırıcısının örnekleme noktasında geri döner. Arada kalan her şey, yani ESI biti, DLC, veri ve CRC alanı, daha hızlı hızda taşınır. Bu veri fazı hat boyunca gidiş-dönüş gerektirmez; çünkü yalnızca bir düğüm gönderir, diğerleri dinler. Bu yüzden hızını hat uzunluğu değil sinyal kalitesi sınırlar. BRS dominant gönderilen çerçeveler tamamen nominal hızda yürür ve yine de büyük yükün avantajından yararlanır.

ESI: her çerçevede hata durumu

Hata durumu göstergesi, her alıcının vericinin hata aktif (ESI dominant) mi yoksa hata pasif (ESI resesif) mi olduğunu görmesini sağlar. Klasik CAN'de bu bilgi düğümün dışına hiç çıkmazdı. Ağ geçitleri ve ağ izleme sistemleri, bozulmaya başlayan bir düğümü bus-off'a ulaşmadan çok önce fark etmek için bu biti kullanabilir.

04Yük boyutları ve DLC

CAN FD dört bitlik DLC'yi korur, ancak klasik CAN'in 8 bayt saydığı kodları daha kaba adımlarla daha uzun yüklere ulaşmak için kullanır:

Tanımlı iki boyutun arasına düşen bir yük, bir üst boyuta doldurulur: 30 bayt, iki dolgu baytıyla 32 baytlık bir çerçevede; 50 bayt ise 14 dolgu baytıyla 64 baytlık bir çerçevede taşınır. Bu yüzden haberleşme tasarımcıları mesajlarını mevcut boyutlara göre yerleştirir; dolgu değeri de ağ şartnamesinde tanımlanır.

Üst katmanlar da buna uyum sağladı. ISO 15765-2, klasik CAN'de 7 bayt sığan tek parçalı çerçevede, CAN FD üzerinde 62 bayta kadar teşhis verisi taşır; SAE J1939-22 ise birden fazla parametre grubunu tek bir FD çerçevesine paketler.

05Daha güçlü hata yakalama

Daha uzun bir çerçeve daha güçlü bir sağlama ister. CAN FD, CRC'sini yük boyutuna göre seçer ve bit doldurma ile CRC'nin etkileşimini değiştirir:

Doldurma biti sayacı, klasik CAN'in bilinen bir zayıflığını kapatır: doldurma biti yaratan ya da yok eden iki bit hatası çerçeveyi, CRC'nin yakalayamayabileceği biçimde kaydırabilir. Sabit doldurma bitleri ise CRC alanının uzunluğunu içerikten bağımsız kılar.

06Veri fazı bit hızları: 2, 5 ve 8 Mbit/s

Arbitrasyon aradan çıktıktan sonra veri fazını sınırlayan, bir bitin transceiver'lar arasındaki yolculuktan ne kadar temiz çıktığıdır: dal hatlarından ve yıldız noktalarından gelen salınımlar, yükselen ve düşen kenarlar arasındaki asimetri ve transceiver'ların kendi gecikmeleri. Tipik birleşimler:

Yüksek hızları pratikte mümkün kılan iki teknik vardır. Verici gecikme telafisi (TDC): 5 Mbit/s'de bir veri biti 200 ns sürer; bu, denetleyicinin TXD pininden transceiver'a ve oradan RXD'ye dönen gecikmeyle kıyaslanabilir bir süredir. Verici kendi bitlerini denetlemek için çok geç okuyacağından, veri fazının başında bu döngü gecikmesini ölçer ve her biti o kadar kaydırılmış ikincil bir örnekleme noktasında denetler. CAN in Automation'ın CiA 601-3 belgesi, 1 Mbit/s'nin üzerindeki veri hızlarında TDC'nin etkinleştirilmesini önerir.

Sinyal iyileştirme yeteneği (SIC): SIC transceiver'lar, dominanttan resesife geçişin ardından hatta kısa süreliğine eşlenmiş bir empedans sunarak salınımı aktif olarak söndürür. Bu, aksi hâlde veri fazını daha düşük hızlarla sınırlayacak yıldız veya uzun dal hatlı topolojilerdeki yansımaları bastırır. SIC ilk olarak CAN in Automation tarafından tanımlandı, bugün ISO 11898-2:2024'ün parçasıdır.

Bit zamanlama disiplini de klasik CAN'e göre daha kritiktir. CiA 601-3; 20, 40 veya 80 MHz CAN saatlerini, iki fazda aynı zaman kuantumu uzunluğunu, tüm düğümlerde aynı örnekleme noktalarını ve otomotiv ağları için %80'den geç olmayan bir nominal örnekleme noktasını önerir.

07Çözümlü örnek: 64 bayt taşımak

CAN FD pratikte ne kadar hızlı? Nominal hızı 500 kbit/s olan bir ağda 64 baytlık yükü ele alıp bitleri sayalım; dinamik doldurma bitlerini hesaba katmıyoruz, bunlar her durumda birkaç yüzde ekler:

1. 01
   Klasik CAN

   Her biri ara boşluk dahil 111 bit süresi kaplayan, 8 baytlık sekiz temel format çerçeve: 888 bit × 2 µs = 1.776 µs.

2. 02
   Bit hızı değiştirmeden CAN FD

   Tek çerçeve: arbitrasyon, onay, çerçeve sonu ve ara boşluk için yaklaşık 30 bit; ESI'den CRC alanının sonuna kadar 549 bit (ESI 1, DLC 4, veri 512, doldurma sayacı 4, CRC 21, sabit doldurma bitleri 7). 579 bit × 2 µs = 1.158 µs.

3. 03
   2 Mbit/s veri fazıyla CAN FD

   30 nominal bit 60 µs sürer; 549 veri fazı biti 0,5 µs'den 274,5 µs. Toplam ≈ 335 µs.

4. 04
   5 Mbit/s veri fazıyla CAN FD

   60 µs + 549 × 0,2 µs ≈ 170 µs.

Büyük yük tek başına mütevazı bir kazanç getirir; asıl sıçramayı veri fazı yapar. Rakamlar gecikme açısından da önemlidir: 2 Mbit/s veri fazlı, 64 baytlık tam bir FD çerçevesi hattı yaklaşık 335 µs meşgul eder; bu, 500 kbit/s'deki 8 baytlık klasik bir çerçevenin en kötü durum süresinden (270 µs) yalnızca biraz fazladır. Büyük çerçeveler, acil trafik için daha uzun bekleme anlamına gelmek zorunda değildir.

08Klasik ve FD düğümleri bir arada

Klasik bir denetleyici FD çerçevesini izleyemediği ve onu bir hata bayrağıyla bozduğu için, FD çerçeveleri taşıyan bir ağda aktif klasik CAN denetleyicisi bulunmamalıdır. Üreticiler bunu dört yoldan çözer:

• Tamamen FD segmentler: yalnızca klasik çerçeve gönderenler dahil her düğüm FD destekli bir denetleyici kullanır. FD denetleyicileri klasik çerçeveleri doğal olarak işler.
• Ağ geçidiyle ayırma: klasik ve FD ağlar ayrı segmentlerde kalır; aralarındaki veriyi yönlendirip yeniden paketleyen bir ağ geçidi ECU'su ile birleşir. Ayrıntılar: Araç ağ mimarisi.
• FD-pasif transceiver'lar: bazı kısmi ağ transceiver'ları ECU'ları uyurken FD çerçevelerini yok sayar; böylece uyuyan düğüm ne uyanır ne de hata bildirir.
• Aşamalı geçiş: FD destekli bir ağ, tüm düğümler FD'yi destekleyene kadar yalnızca klasik çerçeve taşır, ardından geçiş yapar.

1. 01
   Denetleyici

   Klasik ya da ISO dışı FD değil, ISO CAN FD denetleyicisi (ISO 11898-1:2015 veya sonrası) olduğundan emin olun.

2. 02
   Transceiver

   Kullanılan veri hızı için ISO 11898-2:2016 veya sonrasına göre belirtilmiş, o hıza ait zamanlama simetrisi parametrelerine sahip bir transceiver kullanın.

3. 03
   Bit zamanlaması

   Ağın nominal ve veri bit hızlarını, örnekleme noktalarını ve zaman kuantumu ayarlarını birebir eşleyin; 1 Mbit/s'nin üzerinde verici gecikme telafisini etkinleştirin.

4. 04
   Topoloji

   Yeni cihaza giden dal hattını mümkün olduğunca kısa tutun. 500 kbit/s'de zararsız olan bir dal hattı, 500 ns'lik bir veri bitinin içinden salınarak geçebilir.

5. 05
   Davranış

   Cihazın ağ uyurken sessiz kaldığından ve ağ tasarımının dışında hiçbir şey göndermediğinden emin olun.

09FD'nin ötesi: CAN XL

Üçüncü kuşak CAN XL, klasik CAN ve CAN FD ile birlikte ISO 11898-1:2024'te, transceiver'ları ise ISO 11898-2:2024'te tanımlanır. CAN'in arbitrasyonunu korur ve Ethernet sınıfı yükler için boyutlandırılmış bir veri fazı ekler:

SDU türü alanı, CAN XL'in Ethernet çerçeveleri dahil başka protokollerin çerçevelerini taşımasına olanak tanır; bu da onu bölgesel (zonal) mimarilerde CAN tabanlı bölgeler ile Ethernet omurgaları arasında bir köprü konumuna getirir. Ayrıntılar: Araç ağ mimarisi. Sanal ağ kimliği tek bir fiziksel segment üzerinde 256'ya kadar mantıksal ağa izin verir; CAN in Automation'ın güvenlik protokolü CANsec de veriyi bağ katmanında koruyabilir.

ISO 11898-1:2024 ayrıca, CAN FD çerçevelerine ihtiyaç duyan ama çoklu master arbitrasyonu gerektirmeyen basit sensör ve eyleyiciler için kumanda/yanıtlayıcı (commander/responder) yapılı CAN FD Light'ı da standartlaştırır. Yoldaki araçlar için ise klasik CAN ve CAN FD uzun yıllar boyunca gerçekliğin kendisi olmaya devam edecek; CAN XL yeni platformlar için verilecek bir mimari karardır.

10Sahada bunun anlamı

• Bir şey bağlamadan önce ağın kuşağını bilin. CAN FD ağındaki yalnızca klasik CAN destekli bir cihaz, yeni çerçeveleri okuyamamakla kalmaz; onay verir veya hata bildirirse onları aktif olarak bozar.
• Osiloskopta çerçevenin tamamına bakın. BRS biti etkin bir FD çerçevesinde, arbitrasyon alanından sonra bit genişliğinde gözle görülür bir değişim olur: 500 kbit/s ve 2 Mbit/s'de bitler dört kat daralır.
• Kısalan veri bitine saygı gösterin. 300 ns'de sönen bir salınım 2 µs'lik nominal bitte zararsız, 200 ns'lik veri bitinde ise ölümcüldür. Dal hattı uzunluğu ve ek yeri kalitesi FD ağlarında, herhangi bir klasik CAN hattında olduğundan çok daha önemlidir.
• Karma araçlara hazırlıklı olun. Tek bir araç; gövde ağlarında klasik CAN, aktarma organları ve sürücü destek ağlarında CAN FD, omurgada ise Automotive Ethernet taşıyabilir.

11Sık sorulan sorular