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Flexible Datenrate in CAN-Systemen: Was hinter dem FD-Protokoll steckt

Wie jedes Kommunikationssystem hat auch das „klassische“ CAN-Protokoll seine Grenzen: Die Geschwindigkeit ist auf 1 Mbit/s limitiert und die maximale Nutzdatenlänge beträgt 8 Byte. Mit dem kommenden FD-Protokoll fallen diese Schranken.

CAN Kommunikationssystem Bildquelle: © Computer&AUTOMATON, Fotolia/jojje11

Die Idee ist nicht neu: Schon Anfang des Jahrtausends wurde in wissenschaftlichen Kreisen diskutiert, nach der Phase der Bus-Arbitrierung bis zum Acknowledgement-Feld einer CAN-Bot- schaft die Bits mit einer höheren Taktrate übertragen zu können. Da dabei nur ein Teilnehmer senden darf, ist die maximale Übertragungsgeschwindigkeit theoretisch nur durch die interne Verzögerungszeit im CAN-Transceiver sowie durch die Verzögerung auf der Datenleitung (typisch sind 5 ns/m) begrenzt.

In dieser Phase – vom Steuerfeld mit seinem Datenlängen-Code, dem Datenfeld bis zum CRC-Feld (Cyclic Redundancy Check) – ist es nicht erforderlich, dass alle Teilnehmer im Netz innerhalb einer Bit-Zeit das gleiche Bit abtasten müssen. Erste Laborversuche mit handelsüblichen Transceiver-Chips haben ergeben, dass mit diesen Bausteinen Datenraten bis zu 15 Mbit/s erreichbar sind – und dies bei Netzwerk-Längen von rund 40 m. Selbstverständlich gelten für die Arbitrierungs- und Acknowl­edgement-Phase die gleichen Beschränkungen wie für das bisherige CAN-Protokoll: maximal 1 Mbit/s bei einer Netzwerklänge von ungefähr 25 m bis 30 m (je nach Einstellung des Abtast-Zeitpunktes).

Vor diesem Hintergrund hat Bosch im vergangenen Jahr auf Initiative der Automobilindustrie und in Diskussion mit anderen CAN-Experten das Protokoll CAN-FD – FD steht für „Flexible Datenrate“ – entwickelt und in FPGAs prototypenhaft implementiert. Eine wesentliche Forderung der PKW-Hersteller war die Ver­wendung der bisherigen handels­üblichen Transceiver-Chips nach ISO 11898-2 und ISO11898-5 (High-speed-Transceiver ohne und mit Low-Power-Mode).

Die Erhöhung der Datenrate ist allerdings nur eine Seite der Medaille. Die andere – und die ist vor allem in industriellen Anwendungen viel gravierender – ist die Begrenzung der Nutzdaten auf 8 Bit. Auch in diesem Punkt bringt das neue FD-Protokoll einen enormen Performance-Gewinn, denn es erlaubt künftig Nutzdaten bis zu 64 Byte. Angenommen die Arbitrierungsgeschwindigkeit ist auf 500 kbit/s festgelegt und die „beschleunigte“ Datenrate beträgt „nur“ 4 Mbit/s, so lassen sich dann in der gleichen Zeit achtmal soviel Nutzdaten wie bisher übertragen. Noch viel wichtiger ist, dass längere Botschaften gesendet werden können, ohne diese segmentieren und wieder zusammenfügen zu müssen.