Die Vorteile von CANopen-FD ohne Bitratenumschaltung

Das CAN-FD-Protokoll wurde von der Automobilindustrie entwickelt, um Daten schneller zu übertragen. Zuerst hatte man das schnellere Herunterladen von Software im Sinne. Dann kamen Anwendungen in den Fahrzeug-internen Netzwerken hinzu.

Inzwischen migrieren fast alle PKW-Hersteller Schritt für Schritt zu CAN-FD; die einen schneller, die anderen langsamer. Ein Ursache liegt im Aufbau der physikalischen Netzwerke: Die mit CAN-FD mögliche schnelle Übertragung (Transceiver-Parameter sind bis zu 5 Mbit/s genormt) limitiert die möglichen Netzwerk-Topologien und stellt zudem höhere Anforderungen an Kabel und Stecker. Allgemein gesagt: Der Aufwand für das Design des Netzwerks ist höher und erfordert in der Regel nachrichtentechnische Kenntnisse.

Auch industrielle Anwender können die Vorteile von CAN FD – insbesondere die längeren Datenfelder – nutzen. Dazu wurde die CANopen-Anwendungsschicht funktional um die Spezifikation CiA 1301 erweitert. Die CANopen-FD-Anwendungsschicht basiert auf längeren Frames mit bis zu 64 Byte Nutzdaten. Zudem erlaubt das USDO-Protokoll (Universal Service Data Object) eine Vollvermaschung der Netzwerk-Teilnehmer und unterstützt im Gegensatz zum SDO-Protokoll der CANopen-Anwendungsschicht die Übertragung von Nachrichten an alle Teilnehmer (broad-cast) oder eine Gruppe (multi-cast). Natürlich lassen sich auch Verbindungen zu einem ausgewählten Teilnehmer aufbauen (uni-cast), wie es vom klassischen SDO-Protokoll bekannt ist.

Umgesetzt wurde diese Kommunikationsmechanismen indem die Zieladresse (1 Byte) in den USDO-Protokolldaten enthalten ist. Somit befindet sich die Zieladresse im CAN-FD-Datenfeld, das mit seinen 64 Byte nun genügend Platz bietet. Das SDO-Protokoll nutzt bereits vier Byte für die Protokolldaten und kann deshalb nicht noch ein weiteres Byte für die Zieladresse nutzen. Dann stünden nur noch drei Bytes für Parameter zur Verfügung. Theoretisch kein Problem, aber praktisch da viele Parameter als Doppelworte (32 bit) spezifiziert sind.

Das USDO-Protokoll der CANopen-FD-Anwendungsschicht ermöglicht eine Vollvermaschung der Geräte ohne CAN-ID-Konfiguration. Damit eignet es sich auch für IIoT-Anwendungen. CiA

Effektiver durch Protokoll-Effizienz

Anwender im industriellen Umfeld sind oft keine Nachrichtentechniker und scheuen den Aufwand für die Entwicklung eines robusten CAN-FD-Netzwerkes. Sie müssen aber trotzdem nicht auf die Vorteile von CANopen-FD verzichten. Einzige Bedingung: Die Bitrate darf 1 Mbit/s nicht überschreiten. Darunter gelten im Prinzip die Topologie-Regeln der ‚klassischen‘ CAN-Netzwerke. Auch können die bisherigen Kabel und Stecker verwenden.

Da in vielen CANopen-Anwendungen die Buslast nur fünf bis zwanzig Prozent beträgt, gibt es keinen wirklichen Grund die Bitrate zu erhöhen. Mit den größeren PDO (Process Data Objects) – CAN-FD stellt 64 Byte bereit – steigt sogar die Busbandbreite aufgrund der effizienteren Übertragung beziehungsweise aufgrund des geringeren Protokoll-Overheads. Die längeren CAN-FD-Frames lassen sich beispielsweise für zusätzliche Security-Protokolle nutzen.

Ein weiterer Vorteil der Migration auf CAN-FD: Wenn Querkommunikation zwischen Teilnehmer gefordert ist, sinkt mit dem USDO der Konfigurationsaufwand. Und sollten neue Funktionen einer Applikation dennoch zu Engpässen in der Bandbreite führen, lässt sich je nach Netzwerklänge die Übertragungsrate moderat erhöhen, beispielsweise von 125 kbit/s auf 250 kbit/s verdoppeln.

Dies macht auch die Automobilindustrie: Längst werden nicht alle CAN-FD-Netzwerke auch mit 2 Mbit/s betrieben. Diese Anwender nutzen die längeren CAN-FD-Frames, um eine durchgängige Security-Lösung zu gewährleisten. Die Übertragungsgeschwindigkeiten in den sogenannten Komfort-Netzwerken (Fensterheber, Außenspiegel, Scheibenwischer, Klimaanlage) werden auch in Zukunft nicht dramatisch zunehmen – gleiches gilt für Türsteuerungen, Aufzüge und viele Maschinen mit begrenzter Dynamik.

Selbst viele antriebsorientierte Steuerungen haben keine Probleme mit der begrenzten Busbandbreite des klassischen CAN-Protokolls. Typische Beispiele sind Lifter in Müllfahrzeugen oder Pitch-Steuerungen in Windkraftanlagen.

Es gibt eine Reihe von Komponenten, die den sukzessiven Umstieg von CAN classic hin zu CAN FD unterstützen. HMS

Geordnete Verhältnisse im Netzwerk schaffen

CANopen-FD bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Netzwerk-Segmente zu kaskadieren: Das USDO-Protokoll kann Nachrichten über eine integrierte Router-Funktion an ein nächstes Segment senden. Dies erlaubt die Konfiguration beziehungsweise die Diagnose einer Anlage mit mehreren CANopen-FD-Segmenten von einer einzigen Stelle aus. Auch Emergency-Nachrichten (EMCY) können von einem Segment zu einem anderen weitergeleitet werden. EMCY-Nachrichten wurden bei CAN FD ebenfalls erweitert und unterstützen nun auch bis zu acht logische Geräte. Das können beispielsweise bis zu acht Antriebssteuerungen in einem CANopen-Gerät sein oder ein CANopen-Gerät, das als Stellvertreter (Proxy) ein unterlagertes Netzwerk repräsentiert. Die Flexibilität von CANopen-FD gepaart mit der Zuverlässigkeit und Robustheit der CAN-FD-Hardware macht diese Kommunikationstechnik für viele eingebettete Steuerungen interessant. Dabei kann es sich auch um ‚exotische‘ Anwendungen handeln: chaotische Apothekenlager, Schneide- und Wiegeanlagen für Wurst und Käse sowie Batterie-Management-Systeme für Fahrräder oder Flurförderfahrzeuge.

Je langsamer ein CAN-FD-Netzwerk die Daten überträgt, desto einfacher ist das Design des physikalischen Netzwerks. Das gilt prinzipiell für alle Netzwerke, nicht nur für CAN-FD. Die preisgünstige CAN-FD-Hardware (Transceiver und Controller) wird nicht wie bei anderen Netzwerktechniken durch teure Kabel und Stecker konterkariert. Der Anwender kann selbst wählen und unterhalb von 1 Mbit/s auf die seit über 30 Jahren bewährten physikalischen CAN-Komponenten zurückgreifen.

SPS IPC Drives: Halle 5, Stand 410

(sk)