إدارة الغذاء والدواء الكندية

بروتوكول CAN FD (شبكة منطقة التحكم ذات معدل البيانات المرن) هو بروتوكول لنقل البيانات يُستخدم لبث بيانات المستشعرات ومعلومات التحكم عبر وصلات ثنائية الأسلاك بين أجزاء مختلفة من أجهزة القياس الإلكترونية وأنظمة التحكم . يُستخدم هذا البروتوكول في المركبات الحديثة عالية الأداء.

يُعدّ CAN FD امتدادًا لبروتوكول ناقل CAN الأصلي المُحدد في معيار ISO 11898-1. وهو الجيل الثاني من بروتوكول CAN الذي طورته شركة بوش. ^{[ 1 ]} تعود الفكرة الأساسية لزيادة سرعة جزء من الإطار وتكبير حجم الحمولة إلى عام 1999. ^{[ 2 ]} طُوّر CAN FD في عام 2011 وأُصدر في عام 2012 من قِبل شركة بوش ، ^{[ 3 ]} وذلك لتلبية الحاجة إلى زيادة معدل نقل البيانات حتى 5 أضعاف مع أحجام أكبر للإطار/الرسالة لاستخدامها في وحدات التحكم الإلكترونية الحديثة للسيارات .

كما هو الحال في بروتوكول CAN الكلاسيكي، صُمم بروتوكول CAN FD لنقل واستقبال بيانات المستشعرات وأوامر التحكم بشكل موثوق، وللكشف عن أخطاء البيانات بين أجهزة الاستشعار الإلكترونية ووحدات التحكم ووحدات التحكم الدقيقة . ورغم أن CAN FD صُمم في الأساس للاستخدام في وحدات التحكم الإلكترونية للمركبات عالية الأداء، فإن انتشار بروتوكول CAN الكلاسيكي في مختلف الصناعات سيؤدي إلى إدراج هذا البروتوكول المُحسّن لنقل البيانات في مجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى، مثل الأنظمة الإلكترونية المستخدمة في الروبوتات، والدفاع، والأتمتة الصناعية، والمركبات تحت الماء، والمعدات الطبية، وإلكترونيات الطيران ، ومستشعرات الحفر في الآبار، وغيرها.

يُعدّ الفرق الأساسي بين شبكة CAN التقليدية (شبكة منطقة التحكم) وشبكة CAN FD هو البيانات المرنة (FD). فباستخدام CAN FD، تُصبح وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) قادرة على التبديل ديناميكيًا بين معدلات نقل البيانات المختلفة والرسائل الأطول أو الأقصر. وتؤدي سرعة نقل البيانات العالية وزيادة سعة البيانات إلى العديد من المزايا التشغيلية للنظام مقارنةً بشبكة CAN التقليدية. تصل الأوامر الصادرة من برنامج وحدة التحكم الإلكترونية إلى وحدة التحكم في الإخراج بسرعة أكبر بكثير. تُستخدم CAN FD عادةً في وحدات التحكم الإلكترونية عالية الأداء في المركبات الحديثة. قد تحتوي المركبة الحديثة على أكثر من 70 وحدة تحكم إلكترونية تستخدم CAN FD لتبادل المعلومات عبر ناقل CAN أثناء تشغيل المحرك أو حركة المركبة.

On a CAN bus, a frame is the basic unit of messaging. For a classic CAN bus, a frame consists of an 11-bit identifier along with an 8-byte message payload. For CAN FD, a frame is labeled with a 29-bit identifier and carries a 64-byte message payload. Frames with 11-bit identifiers are said to be in FD Base Frame Format (FDBF) and frames with 29-bit identifiers are referred to as FD Extended Frame Format (FEFF). While payload data rates of 5-8 Mbit/s are possible in CAN FD, overall data transfer rates depend on the total length of the bus network and the transceivers used to generate and detect bus signals. Additionally, arbitration data rates are limited to 1 Mbit/s to maintain compatibility with classical CAN devices. The CAN FD protocol specification provides improved error detection^[4] in received CAN messages and enhanced flexibility of data transfer speeds to account for differences in sensor polling rates. The CAN bus consists of a shared pair of wires onto which electronic sensors, controller units, and ECUs are connected and is used to exchange information between units operating periodically or on demand. The total number of units connected, the length of the CAN bus wires, and additional electromagnetic factors determine the fastest data transfer rate possible for a given CAN bus. All versions of the CAN protocol are designed with robust collision resolution that depends on signal propagation time, network topology, and the number of units on the bus. To minimize message collision and reduce costly error correction, many CAN bus configurations may limit their data transfer rate well below the bus's theoretical maximum speed.

CAN-FD bus load that was developed by "De Andrade's" equation based on Tindel's equation.^[1][5][6]

β = τ/ω (β = Busload), (τ = time of slow bits plus faster bits), ω (time in seconds of measurement). τ = Ts + Tf

CAN-FD protocol defines five different error detection mechanisms: Two of them work at the bit level, and the other three at the message level. They are:

 - (1) Bit Monitoring, - (2) Bit Stuffing, - (3) Frame Check, - (4) Acknowledgement Check and - (5) Cyclic Redundancy Check. There are two options of CRC which should be denoted as for CRC length of 17 (Data Length 0-16 bytes) or CRC length of 21 bits (Data Length 17–64) bytes.

Where the transmission time of the (fixed-size) header is given by:

${\displaystyle \textstyle T_{s}=\left({\frac {\left({\text{SOF}}+{\text{ID}}+r1+{\text{IDE}}+{\text{EDL}}+r0+{\frac {\text{BRS}}{2}}+{\frac {\text{CRCdel}}{2}}\right)\cdot 1.2}{t_{x}}}\right)+{\frac {{\text{ACK}}+{\text{DEL}}+{\text{EOF}}+{\text{IFS}}}{t_{x}}}}$

تُشرح الحقول في الجدول أدناه . هنا، يُعتبر 1.2 عاملًا لأسوأ حالات حشو البتات، ^{[ 7 ]} مما يعني زيادة الحساب بنسبة 25%. ويُعتبر كل من BRS وCRCdel مقسومًا على 2، لأنهما يقعان تمامًا ضمن نطاق انتقال معدل البتات .

يتم حساب وقت إرسال الحمولة على النحو التالي:

${\displaystyle \textstyle T_{f}={\frac {\left(\left(D_{f}+{\text{ESI}}+{\text{DLC}}+{\frac {\text{BRS}}{2}}+{\frac {\text{CRCdel}}{2}}\right)\cdot 1.2\right)+{\text{CRC}}+{\text{SB}}}{t_{Y}}}}$

هنا، يرمز SB إلى بتات الحشو (5 بتات للحزم الأصغر من 6 بايتات و6 بتات للحزم الأكبر من 6 بايتات). يعتمد CRC أيضًا على الحجم، حيث يُضبط على 17 بتًا للحزم الأصغر من 6 بايتات و21 بتًا للحزم الأكبر. يمثل Df حجم حمولة CAN-FD، والذي قد يتراوح بين 0 و8، أو 12، أو 16، أو 20، أو 24، أو 32، أو 48، أو 64 بايتًا. أما t_X فهو عرض نطاق الإرسال لرأس الرسالة (يصل إلى 1  ميجابت/ثانية).

كما قلل بروتوكول CAN FD من عدد الأخطاء غير المكتشفة بفضل تحسين أداء خوارزمية CRC . ^{[ 8 ]} إضافةً إلى ذلك، يتوافق CAN FD مع شبكات CAN 2.0 الحالية، مما يسمح للبروتوكول الجديد بالعمل على نفس الشبكة التي يعمل عليها CAN التقليدي. ^{[ 9 ]} يمكن أن تصل سرعة نقل البيانات في CAN FD إلى 8  ميجابت/ثانية باستخدام جهاز الإرسال والاستقبال المناسب CAN SIC (قدرة تحسين الإشارة)، أي أسرع بما يصل إلى 8 مرات من CAN التقليدي  بسرعة نقل بيانات تبلغ 1 ميجابت/ثانية.

نظراً لسرعة الاتصال العالية، أصبحت قيود CAN FD أكثر صرامة فيما يتعلق بالسعة الطفيلية للخط . ولذلك، انخفضت سعة جميع المكونات على الخط مقارنةً بناقل CAN العادي . لهذا السبب، طرح موردو أشباه الموصلات مكونات جديدة معتمدة من قبل مصنعي السيارات. يعكس هذا الاعتماد الحاجة إلى التوافق التشغيلي بين جميع أنظمة CAN FD. في الواقع، تتوافق مكونات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي المختارة مع جميع أجهزة الإرسال والاستقبال (CAN أو CAN FD) وتتحمل معيار ISO7637-3. ^{[ 10 ]}

على الرغم من ارتفاع جهد الفصل (≤ 37  فولت)، يجب أن تتوافق الأجهزة المستخدمة في تطبيقات الشاحنات أيضًا مع متطلبات السعة المنخفضة (3.5  بيكوفاراد). ^{[ 11 ]}

يحتوي إطار البيانات المستخدم لنقل البيانات الفعلي على تنسيقين للرسائل:

• تنسيق الإطار الأساسي: مع 11 بتًا للتعريف
• تنسيق الإطار الموسع: مع 29 بتًا للمعرف

تنسيق الإطار كما يلي: يتم وصف قيم البتات لإشارة CAN-LO.

يوضح الجدول أعلاه بروتوكول النقل المحدد لـ CAN + CANFD، استنادًا إلى ISO 15765-2 (ISO-TP)، المستخدم لإرسال حزم البيانات الأطول مما يتناسب مع إطار CAN.

• إذا كان البايت الأول هو 0x00، فهو CAN-FD SF، والبايت الثاني يحدد حجم البيانات.
• إذا كان البايت الأول هو 0x01-0x07، فهو CAN SF عادي مع هذا البايت الذي يشير إلى حجم البيانات من 1 إلى 7 بايت.
• إذا كانت أول بايتين هما 0x1000، فهذا يعني أن البيانات من نوع CAN-FD FF، وتحدد البايتات الأربعة التالية حجم البيانات بترتيب البايت الأعلى أولاً. وهذا يُمكّن فعلياً من إرسال  بيانات بحجم 4 جيجابايت تقريباً عبر CAN FD.
• إذا كانت أول بايتين هما 0x1008-0x1FFF، فهذا يعني أنه CAN FF عادي بحجم 0x008-0xFFF.

يمكن استخدام جهاز الإرسال والاستقبال CAN FD مع بروتوكولي CAN الكلاسيكي وCAN FD. بالإضافة إلى ذلك، يوجد جهاز إرسال واستقبال CAN SiC (ذو قدرة تحسين الإشارة) جديد  بمعدل بيانات يتراوح بين 5 و8 ميجابت/ثانية. ^{[ 12 ]}

في عام 2017، تم التنبؤ بأن يتم استخدام CAN FD في معظم المركبات بحلول عام 2019-2020.

تشمل بعض الشركات التي تقف وراء المعيار الجديد STMicroelectronics و Infineon و ^{NXP و Texas} Instruments و Kvaser و Daimler و GM .

يشكل CAN FD طبقة ربط البيانات الأساسية في بعض بروتوكولات الطبقات العليا مثل CANopen كـ CANopen FD و J1939 ويتم دعمه من قبل شركات مختلفة مع حزم البروتوكولات.

يُعد CAN XL الإصدار الثالث من طبقة ربط البيانات CAN بعد CAN الكلاسيكي وCAN FD. ويتوافق CAN FD مع CAN XL .

• مقارنة CAN FD مع CAN الكلاسيكي
• CAN FD: من النظرية إلى التطبيق
• لينكس وISO 15765-2 مع CAN FD - تفاصيل حول كيفية اختلاف طول بيانات (الحمولة) بين CAN وCANFD
• لينكس وISO 15765-2 مع CAN FD المؤتمر الدولي الخامس عشر لـ CAN 2015