 ürün ve uygulamalar 
“CAN FD”, Özel Amaçlı Makine Sanayi Alanında
Şebeke Ağlarına ve Endüstriyel Ethernet’e
Rekabetçi Çözümler
Emikon
www.emikonotomasyon.com
■ nCAN FD; devre sayısı, transfer hızı ve döngü sayısının
yüksek olması talep edildiğinde dahi mevcut CAN
sistemlerinin ve CAN bilgilerinin kullanılmasına olanak
sağlamaktadır. HMS’den Thomas Waggershauser bunun
nasıl olduğunu açıklıyor. CAN tabanlı işletim sistemleri
genellikle özel amaçlı makinelerde CAN-açma gibi standart
protokoller ve tescilli çözümler için kullanılmaktadır.
CAN tabanlı makine ağ iletişiminin avantajları ağ üzerindeki basit veri yapısı, ucuz ve oldukça esnek uygulama,
mevcut ağların kolayca genişletilebilmesi ve arıza durumunda sistemin pratik biçimde analiz edilebilmesidir.
CAN FD’nin olası uygulamaları
Devre sayısı, transfer hızı ve döngü sayısındaki artan
talepler klasik CAN’in (8 veri bit ve 1 Mbit/s veri hızı)
sınırlı özellikleri ile gerçekleştirilmesi mümkün olmayan
tıkanıklıklara neden olur: Ağ genişlemesine ve hizmet ile
Endüstri otomasyon / 48
analog verinin kısa veri uzunluğuna bağlı olan veri hızı
burada önemli bir rol oynar. Günlük kullanımda bu sınırlı
özellikler genellikle bazı tavizler verilerek aşılır: farklı
uygulamalarda sistemin farklı ağ segmentlerine - veya
hatta paralel ağlara ayrılması gibi; bu da mevcut olan
teknolojinin sürekli tüketilmesi gibi konfigürasyon, kurulum ve bakım açısından karmaşık ve pahalı çözümlere
neden olur. Prensip olarak, yüksek performanslı endüstriyel Ethernet teknolojisine geçiş yapmak mümkündür.
Genellikle bu konudaki yatırımların artması gerekir ve veri
yapılarındaki değişiklikler ve konfigürasyon için yaklaşım
tarzını değiştirmek özellikle de kapsamlı ağlardaki zaman
kontrollü sistemlerde sıklıkla zorlu bir görev haline
dönüşmektedir. Ayrıca, gelişim, hizmete alma ve hizmet
konusundaki araçların değişimi gereklidir ve bu durum da
genellikle kullanıcıları kapsamlı bir dönüşüm yapmaktan
vazgeçirmektedir.
Aynı zamanda, kullanışlılık açısından mevcut olan
uzmanlık bilgisini kullanmaya devam etmek için bir
istek vardır.
İşte burada CAN FD görevini yapmaktadır: CAN FD
(esnek veri hızına sahip CAN) Bosch tarafından 2012
yılında tanıtılan ve bilinen “klasik” CAN’in genişletilmiş
versiyonudur ve kullanılabilir veri hızı ile kullanılabilir veri
uzunluğunu önemli ölçüde genişletmektedir. Diğer taraftan denenen ve test edilen CAN konseptleri sabit kalmıştır:
mesaj ID bazlı çözümler, mesajların olaylara bağlı olarak
dağıtılması ve teslim biti yoluyla alınan mesajların teslimi
gibi.
Geliştirilmiş veri hızı
Alıcılar tarafından klasik CAN’de kullanılan mesajın
alınması; iletilen mesaj içerisinde iletimin başarısını onaylayarak birçok avantaj sağlamaktadır. Bu sayede potansiyel iletim hataları hızlıca belirlenmekte ve veri çok hızlı
biçimde yeniden iletilmektedir. CAN tanımlayıcısına bağlı
olarak mesajların iletilmesi ayrıca veri iletimi sırasında
çakışmaları önleyerek ve daha büyük hat yüklerinde
yüksek öneme sahip mesajların kısa gecikme süreleri ile
iletilmesini sağlayarak kontrol uygulamalarında avantajlar
sağlamaktadır.
Kullanılan yöntemlerin dezavantajı, numune alma sırasında
hataları önlemek amacıyla tüm ağlarda aynı veri yolu seviyesinin sağlanması gerekliliğidir. Bundan dolayı, ağ üzerindeki en uzak iki devre arasındaki yeterli sinyal ilerleme
süresini, bunların ağ yolu aktivasyonu ile birlikte bir bit
aralığı sağlar. Bu nedenle bit aralığı ve dolayısıyla veri hızı
doğrudan ağ genişlemesine bağlıdır; 40 m genişlemede
1Mbit/s mümkündür ancak 250 m genişlemede 250
kBit/s hızına düşmektedir. Mevcut iletişim teknolojilerini
değiştirmeden veri hızını önemli ölçüde yükseltmek için
CAN FD iki farklı bit hızı ile çalışır. Kontrol komutları için
“tahkim hızı” (tahkim, mesaj tipi, nokta tespiti ve alındı
bilgisi dâhil olmak üzere) yayılma hızına ve dolayısıyla ağ
genişlemesine bağlıdır.
Tam tersi olarak, ikinci “veri bit hızı” da opsiyonel olarak
veri içeriği ve güvenliği için kullanılır. Bu durumda
sadece mesaj ileticisi ağ yolunu kullanır, bu da bit süresi
içerisinde direkt geribildirim almanın gereksiz olması
anlamına gelir. Ulaşılabilecek maksimum veri hızı bu
nedenle sinyal yayılımına değil, sadece iletilen medyanın
iletim özelliklerine bağlıdır.
CAN FD ağları şu anda 8 Mbit/s ile verimli kullanım
sağlamakta, bu sayede CAN FD standart olarak 15 Mbit/
s’ye kadar izin vermektedir. Bu bit hızı ayrıca başarılı bir
şekilde birçok test sistemlerinde kullanılmaktadır. İki veri
hızı birbirlerinden bağımsız olarak CAN FD kontrolü üzerinde iki bit zamanlama kayıtları kullanılarak ayarlanır. İki
veri hızı arasındaki değişim, protokolda yer alan iki kontrol
biti ile gerçekleştirilir. O ana kadar rezerve edilen ilk bit
“Genişletilmiş Veri Uzunluğu” biti olarak kullanılır ve CAN
FD mesajını resesif seviyesine göre tanımlar. Asıl bit hızı
değişimi “Bit Hızı Değişimi” biti (BRS) adı verilen, daha
yüksek bir bit hızına örnekleme süresi içerisinde geçiş
yapan yeni eklenen bit ile gerçekleştirilir. Geri döndürme
ise CRC kısıtlama biti örneklendiğinde gerçekleştirilir.
Bu örnekte, toplam 42 bit konfigürasyon verisi iletilmiştir.
Bunu klasik CAN ile yaparken; tüm veri miktarını 8-bit
mesajlarla iletebilmek amacıyla bir iletim protokolü
uygulanmalıdır. Örnek, veri akışını kontrol etmek için
sadece ilk veri bitini kullanan model iletim protokolüne
dayandırılmıştır. Bunun anlamı 7 bite kadar her CAN
mesajı için hala müsait olmasıdır. Uygulanan iletim
protokolüne bağlı olarak, ek veri alanları da kontrol için
gerekebilir.
Karşılaştırıldığında bunun altında, 48 bit kullanıcı verisi
ile 6 klasik CAN mesajının yerine geçebilen tek bir
CAN FD mesajı gerekir. Yukarıda gösterilen CAN FD
mesajlarında veri daha yüksek bit hızı ile iletildiğinden,
bu CAN FD mesajı klasik CAN mesajlarından çok daha az
veri yolu süresine ihtiyaç duyar. Ayrıca, tek bir CAN FD
mesajının kullanımı burada veri akışının uygulanmasını
önemli ölçüde basitleştirir.
Genişletilen kullanıcı verisi
Kontrol verisi hala bilinen daha düşük bit hızları ile iletilir,
bu nedenle ulaşılabilir veri hızını sınırlamaktadır. Kullanıcı
veri alanını 64 bite kadar yükselterek, daha çok veri hızlı
iletim modunda gönderilebilir ve böylece veri hızı etkin
biçimde yükseltilir.
Klasik CAN, artık çoğu veri uygulaması için örneğin yüksek
hassasiyetli analog değerlerinin iletimi veya çeşitli kodlama
değerleri ve sürüş komutları ile çok-eksenli robotların kontrolü için yeterli olmayan 8 veri bitlerini sağlayabilmektedir.
Buna, servis verisi de eklenmelidir. Bu da şimdiye kadar
etkinliği, iletim için gereken iletim protokolleri nedeniyle 8
bitten daha fazla düşürmüştür.
CAN FD şu anda 64 veri bite kadar kullanım seçeneği
sunmaktadır. Bu şekilde, daha geniş veri blokları tek bir
49 / Endüstri otomasyon
 ürün ve uygulamalar 
mesajda gönderilmektedir. Özellikle proses verisi sırasında
daha karmaşık cihazlar sadece tek bir proses mesajı
kullanılarak tamamen kontrol edilebilmektedir. Servis verisi
için, tek bir CAN FD mesajı genellikle sadece konfigürasyon
verisi ve benzerleri için gerektiğinden iletim protokollerine
olan gereksinim düşürülmüştür. Kontrol verisinin gereksiz
biçimde genişlemesinin önüne geçmek amacıyla CAN FD
ayrıca 4 bite kadar veri uzunluk kodu kullanmaktadır. 0 ila 8
arasındaki değerler doğrudan klasik CAN’den alınmaktadır.
Şimdiye kadar tanımsız olan değerler (9 ila 15, örn: 1001 1111) yeni ve genişletilen veri uzunlukları için kullanılır: 0
ila 8 bitin yanında, 12, 16, 20, 24, 32, 48 ve 64 bit de artık
kullanıcı verileri için mevcuttur. Bunlardan daha farklı olan
veri uzunlukları mevcut değildir, bu nedenle kullanılmayan
alanlar “doldurucu değerler” ile takviye edilmelidir .Veri
alanının hızlı iletiminin yanında, etkili kullanılabilir veri hızı
CAN FD kullanılarak önemli ölçüde yükseltilebilir ve döngü
süresi de gözle görünür biçimde düşürülür. Bu şekilde, 500
kBit tahkim, 4Mbit veri iletimi ve 64 veri bite sahip bir CAN
FD ağı 5 Mbit/s üzerinde etkili veri hızına ulaşabilmektedir
Bu şekil, Şekil 1’de gösterilen CAN mesajlarının tek
bir zaman çizelgesinde gösterilmiş halidir: klasik CAN
için 250 kBit/s veri hızı varsayılmıştır. 8 bit kullanıcı
verisine sahip mesajlar (örneğin, iletim protokolü için
1 bit ve kullanıcı için 7 bit) ve maksimum doldurma biti
numaraları ile klasik CAN mesajı yaklaşık 500 µs veri yoluna ihtiyaç duyar. Eğer transfer devresi tüm altı mesajı
da geciktirmeden arka arkaya gönderebiliyorsa, 42 bitlik
kullanıcı verisini ilettiği için veri yolu üç milisaniye
boyunca tıkalı olacaktır. Karşılaştırmak gerekirse 48 bit
kullanıcı verisine, 250 kBit/s iletim hızına ve 2 Mbit/s
veri bit hızına sahip ve ayrıca maksimum doldurma biti
ile bir CAN FD mesajı veri yolunu sadece 365 µs meşgul
eder. Görünür biçimde daha hızlı olan veri iletimi ayrıca
önemli ölçüde kısa olan yanıt sürelerine bağlı olarak CAN
sistemlerinin gerçek zamanlı davranışını geliştirir ve
aynı zamanda veri hızını yükseltir ve veri uygulamasının
karmaşıklığını giderir!
Endüstri otomasyon / 50
Gerçek zamanlı kapasite
Birçok bağımsız veri paketlerini tek bir mesaj içerisinde
kombine etmek, ayrı ayrı mesajların masraflı biçimde
birbirleri ile senkronize edilmesi gerekmediğinden veri
aktarımının çok daha basit hale getirilmesi anlamına gelir.
Klasik CAN ile karşılaştırıldığında daha büyük veri paketlerinin hızlı aktarımı 8 kat daha büyük veri hacminin (64
bit) neredeyse klasik 8-bit CAN mesajı için gereken aynı
sürede aktarılmasını sağlar. Bu yolla, yüksek önceliğe sahip
olan mesajlar çok daha hızlı biçimde aktarılır ve gerçek
zamanlı kapasite geliştirilir.
Veri Güvenliği
Veri güvenliği önemli bir konudur: klasik CAN’e göre
daha büyük veri paket boyutuna sahip olmasına rağmen,
CAN FD veri güvenliği açısından aynı gereksinimleri
karşılamaktadır. Bu, örneğim adapte edilen algoritmalar ile
daha uzun CRC kontrol anahtarları kullanımı ile sağlanır.
Aktarılan veri bitlerinin sayısına bağlı olarak üç farklı CRC
algoritmalarından biri kullanılır: 8 veri bite kadar olan
mesajlar için eski CRC formülü, 16 veri bite kadar veya 16
veri bitten büyük mesajlar için iki geliştirilmiş algoritma.
CAN kontrolörü tarafından kullanılacak olan algoritma
veri uzunluğu kodu tarafından belirlenir. Geliştirilmiş veri
güvenliği için ek öneriler de uygulanmaktadır. Sonuç olarak,
CAN FD mesajlarında CRC doldurma biti ile başlar; 5 bitten sonra ek bir doldurma biti eklenir - CAN doldurma biti
kuralının tersine, burada önceki bitlerin bit değerlerinden
bağımsızdır. Her bir doldurma biti önceki biti tamamlayıcı
değerler içerir.
Geri Çevirme Uyumluluğu
CAN’den daha hızlı iletişim sistemlerine geçmenin bir
dezavantajı tam bir dönüşüme sıklıkla duyulan ihtiyaçtır:
Tüm CAN katılımcıları yeni sisteme EtherCAT gibi adapte
edilmelidir. Alternatif olarak makine kontrolörü birden
fazla heterojen ağı kullanmak üzere genişletilebilir. Her
iki prosedürün de avantajları ve dezavantajları bulunur.
CAN FD kullanılarak, ek bir “daha uygun” seçenek artık
bulunmaktadır: CAN FD kontrolörleri de klasik CAN devrelerini kullandığından, tüm ağ devreleri CAN FD uyumlu
cihazlarla yavaş yavaş değiştirilebilirler. Tüm ağ CAN-FD
uyumlu olduktan sonra CAN FD’nin tüm avantajlarından
sonuna kadar faydalanabilir. Bağımsız olarak mevcut olan
devreler tarafından yerleri alınamayan ağ katılımcıları burada sıklıkla kullanıldığından, özellikle müşteriye özel cihazlar
veya dâhili geliştirilmiş cihazlar gibi özel amaçlı makinelerde kullanılmaktadır.
CAN FD için mevcut olan araçlar
CAN FD tabanlı cihazların ve ağların geliştirilmesi, özellikle HMS Ağlarından IXXAT CAN-IB 500/600 PC kartları
gibi çeşitli PC ara yüzleri için PC-CAN FD ara yüzlerinin
geliştirilmesi için birçok çözüm bulunmaktadır. Bu CAN
kartları Windows, Linux ve diğer işletim sistemleri için
kapsamlı çeşitlilikte sürücü paketleri içermekte ve mevcut
sistemlere kolay bağlantı ile CAN ve CAN FD’yi desteklediklerinden CAN FD ağlarına mevcut yazılım paketlerinin
hızla eklenmesine olanak tanımaktadır. Bunun yanı sıra,
ilgili sürücü yazılımı, test ve analiz araçları ile donanım
ara yüzleri de CAN FD’nin etkili biçimde uygulanabilmesi
için gereklidir. Bu nedenle, HMS yakın zamanda bilinen
IXXAT canAnalyser’ın CAN FD uyumlu versiyonunu uygun
bir fiyata piyasaya sürerek yüksek performanslı tam çözüm
sunacaktır.
Endüstriyel sektörde CAN FD hakkındaki açık konular
Yukarıda bahsedilen cihazların yanı sıra, bir üretim
alanında CAN FD kullanımının sayısız önemli boyutu
bulunmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda kullanım için
standardize edilmiş daha üst protokollerin uygulanması
önerilmektedir: CIA (Otomasyonda CAN) işleri CANopen’ı
CAN FD’ye dönüştürerek gerçekleştirilmektedir - CAN FD
uzantılarını da içeren CANopen V5 özelliklerinin bu yılın
ortalarına doğru piyasaya sürülmesi beklenmektedir.CAN
FD kullanımının ekstra ve önemli bir boyutu da, entegre
CAN/CAN FD kontrolörleri ile birçok sayıda mevcut olan
uygun maliyetli mikro kontrolörlerdir. Şu ana kadar mevcut
olan cihazlar çoğunlukla CAN FD IP çekirdeklerine sahip
FPGA’lar kullanmaktaydı. Entegre CAN FD mantığı ile mikro
kontrolörler genellikle araçlardaki daha karmaşık kontrolör
cihazları için yüksek performanslı ögelerdir. Basit, uygun
maliyetli ve entegre CAN FD desteğine sahip mikro kontrolörler mevcut olana kadar, FPGA bazlı sistemler en esnek
çözümü sunmaya devam edecektir.
Beklentiler
Büyük oranda geliştirilen veri hızları, basit konfigürasyon ve klasik ağ sistemlerinden bilinen analiz saklama
seçenekleri ile CAN bazlı çözümlerin uygulama alanını CAN
FD genişletmektedir. CAN FD için CANopen’ın yakında
mevcut olacak olması, endüstriyel sektörde yeni ağ sistemlerinin kurulması ve 100 kbit/s ila 5 Mbit/s arasında veri
hızına sahip ağlar için etkin bir çözüm sunulacağı anlamına
gelmektedir. Bağımsız olarak veya birlikte daha yüksek
veri hızları veya genişletilmiş veri çerçevesi ile CAN FD’nin
esnek dizaynı özel amaçlı makineler için adapte edilebilir bir
ağ sistemi olarak mükemmel derecede uyumlu bir buluştur.
Download

“CAN FD”, Özel Amaçlı Makine Sanayi Alanında