Как CAN XL заполняет разрыв между CAN FD и Ethernet
Гуманоидные роботы, коллаборативные манипуляторы и автономные мобильные роботы генерируют больше данных, чем рассчитана традиционная шина CAN, но далеко не каждому узлу нужен Ethernet. CAN XL расширяет сети на базе CAN для систем, которым не хватает пропускной способности CAN FD, без перехода на Ethernet.
По сравнению с традиционной технологией контроллерной локальной сети (CAN) гуманоидные роботы, коллаборативные манипуляторы и автономные мобильные роботы генерируют больше данных для управления движением, слияния данных датчиков, диагностики и программного обеспечения. В то же время многим из этих систем не нужны пропускная способность, архитектура или дополнительная сложность Ethernet на каждом оконечном узле. CAN XL расширяет сети на базе CAN для систем, которым требуется больше пропускной способности, чем даёт CAN FD, без перехода на Ethernet.
CAN является основой автомобильных и промышленных сетей уже более 35 лет. Её развитие от классической CAN к CAN FD, а теперь и к CAN XL отражает растущие требования современных систем, включая более сложные сенсорику и исполнительные механизмы, более крупные программные нагрузки и повышенные требования к безопасности.
Разработчики давно балансируют между растущими требованиями к скорости передачи данных и необходимостью детерминированной связи. Хотя Ethernet обеспечивает более высокую пропускную способность, достижение сопоставимой детерминированной связи с помощью сетей, чувствительных ко времени (TSN), добавляет сложность и стоимость, которые не нужны многим промышленным приложениям. В отличие от этого CAN использует множественный доступ с контролем несущей, обнаружением коллизий и арбитражем по приоритету сообщений (CSMA/CD+AMP), обеспечивая предсказуемый доступ к сети на основе приоритетов.
CAN XL увеличивает ёмкость данных, сохраняя при этом модель арбитража CSMA/CD+AMP шины CAN и гарантии по времени и приоритетам, на которые опираются системы, критичные к безопасности, и одновременно поддерживает скорость передачи данных до 20 Мбит/с и полезную нагрузку до 2048 байт.
Сроки не менее важны, чем технология. На основе спецификации физического уровня CAN XL (ISO 11898-2:2024) компании активно строят экосистему для её поддержки. Уже сейчас производители автомобилей и гуманоидных роботов принимают решения по сетевой архитектуре для платформ, которые через несколько лет пойдут в серийное производство. CAN XL также поддерживает CANsec®, который добавляет функции аутентификации и защиты данных по мере того, как сети на базе CAN всё чаще соединяются с системами на базе IP.
Инженерам, проектирующим системы с большим количеством датчиков или сложным управлением, часто приходится выбирать между CAN FD и Ethernet. Полезная нагрузка CAN FD в 64 байта требует разбивать более крупные сообщения на несколько кадров, что добавляет сложности узлам и неопределённости по времени в каждом диагностическом цикле. Ethernet даёт больше пропускной способности, но может потребовать дополнительного оборудования и программного обеспечения для подключения существующих узлов CAN.
Полезная нагрузка CAN XL в 2048 байт позволяет уместить крупные диагностические сегменты данных в один кадр вместо до 32 отдельных сегментов CAN FD. Более крупная полезная нагрузка также поддерживает протоколы верхнего уровня, например IP, и туннелирование полных кадров Ethernet через CAN XL.
Например, гуманоидному роботу требуются детерминированное управление двигателями с малой задержкой и постоянно растущий объём данных датчиков. Раньше такое сочетание требовало двух отдельных сетей: для управления и для трафика с высокой пропускной способностью. CAN XL может передавать оба типа данных по одной шине. Аналогично промышленный робот может использовать CAN XL для передачи трафика на базе IP (например, обновлений прошивки) в существующей сети управления, повторно используя существующую разводку печатной платы. На рисунке 1 показан пример различных коммуникационных интерфейсов в гуманоидном роботе и то, как они могут выглядеть в будущих конструкциях.
Это означает, что инженеры могут переводить CAN XL из стадии планирования архитектуры в стадию разработки оборудования. Трансивер CAN SIC XL TCAN6062 компании TI поддерживает передачу данных в фазе FAST со скоростью до 20 Мбит/с, сохраняя совместимость с сетями CAN, CAN FD и CAN SIC. Как ведущий в отрасли серийный трансивер CAN XL он даёт инженерам-разработчикам возможность немедленно начать внедрение и проверку CAN XL в серийных конструкциях.
Для существующих конструкций на CAN миграция также может быть относительно простой. TCAN6062 совместим по выводам с 8-выводными трансиверами CAN компании TI, такими как TCAN1044A-Q1 и TCAN1472-Q1, что позволяет разработчикам повторно использовать существующую разводку печатной платы. Его технология улучшения сигнала (SIC) снижает «звон» в сложных сетях с большим числом узлов до 80%, помогая разработчикам решать проблемы целостности сигнала и электромагнитной совместимости (EMC). Широкая совместимость по напряжению ввода-вывода и защита шины от неисправностей до ±58 В также помогают удовлетворить электрические требования в заводских условиях.
Через пять лет CAN FD, CAN XL и Ethernet будут работать вместе в одних и тех же конструкциях. CAN FD останется важной для чувствительных к стоимости сетей управления, CAN XL будет поддерживать приложения, выходящие за пределы реальных возможностей CAN FD, а Ethernet продолжит служить высокоскоростной магистралью для систем с интенсивной нагрузкой на пропускную способность.
Гуманоидным роботам и автономным мобильным роботам всё больше требуется детерминированная связь с более высокой пропускной способностью между десятками узлов. В автомобилях, определяемых ИИ, и электромобилях растущий объём данных аккумуляторов, диагностики и телеметрии создаёт аналогичные потребности.
CAN XL не заменит CAN FD или Ethernet. Со временем инженеры проведут между ними границы, что даст разработчикам больше гибкости в подборе сети под потребности каждой части системы.