نسل سوم پروتکل CAN نگاهی اجمالی به روند تکامل این

دکتر شاهین امیر قاسمی

دکتر شاهین امیر قاسمی

در سکوت و آرامش نسل سوم شبکه‌ی CAN تحت نام CAN XL () استاندارد بین‌المللی خود را دریافت کرد. اگرچه هنوز نسل دوم این شبکه به نام CAN FD نتوانسته است جایگزین اولین نسل این شبکه به نام CAN CC گردد.

شکل ۱. تاریخچه‌ی پدید آمدن شبکه‌ی CAN و تکامل آن

نسل اول: CAN CC

در سال ۱۹۸۶ شرکت آلمانی Bosch در کنگره‌ی سالیانه‌ی SAE در شهر دیترویت آمریکا پروتکل و شبکه‌ی CAN‌ را معرفی نمود. دو سال بعد شرکت‌های Intel و Philips Semiconductors (NXP) اولین IC‌های شبکه‌ی CAN‌ را به بازار عرضه نمودند. سه سال بعد اولین خودرو (مرسدس بنز کلاس S) با استفاده از شبکه‌ی CAN به بازار عرضه شد. امروزه کمتر خودروی سواری را می‌توان یافت که در آن‌ها از این شبکه برای ارتباط 30 تا 200 تجهیز الکترونیکی داخل خودرو استفاده نشده‌‌ باشد. در حال حاضر سالیانه نزدیک به سه میلیارد عدد درگاه CAN نصب می‌شوند. این شبکه در سال ۱۹۹۳ استاندارد ISO 11898 و سپس در سال 200۶ استاندارد ISO_11898-1 ویرایش اول را کسب نمود.

شبکه‌ی CAN از زمان پیدایش خود علاوه بر صنعت خودروسازی در سایر شاخه‌های صنعت نیز راه خود را باز کرده بود. به عنوان نمونه می‌توان به صنایع بالابرها (آسانسور)، تجهیزات پزشکی و ماشین‌آلات نساجی به عنوان پیشروان استفاده از CAN‌ نام برد. در سال ۱۹۹۲ شش شرکت و دو شخص مستقل انجمن CAN in Automation (CiA) را با هدف گسترش فناوری و هم‌چنین بازاریابی این شبکه تأسیس کردند. در حال حاضر این انجمن بیش از ۷۵۰ عضو در دنیا دارد. هدف اصلی از تأسیس این انجمن ارائه‌ی خدمات و ادامه‌ی تحقیق و گسترش شبکه‌ی CAN و CANopen بود. شبکه‌ی CANopen بر اساس پروتکل CAN CC ولی با امکانات بیشتر برای استفاده در صنعت مانند سایرشبکه‌های صنعتی به وجود آمد. به همین دلیل به شبکه‌ی CAN CC یک لایه‌ی بالاتر (لایه‌ی کاربرد) و هم‌چنین فایل کارکرد و مشخصات فنی شبکه، که سازندگان تجهیزات سایر شرکت‌ها ملزم به رعایت آن‌ها برای سازگاری کار تجهیزات با همدیگر و تحت شبکه‌ی CANopen است ،اضافه شده است. برای نمونه می‌توان مشخصات تعریف شده برای کارت‌های I/O (CiA 401)، انواع راه انداز موتوری و هیدرولیک (CiA 402 & CiA 408)، انواع انکودر (CiA 406)، حسگرهای سنجش زاویه (CiA 410)، جابجایی کانتینرهای باری (CiA 444) و بسیاری دیگر را نام برد. صنایع یا کاربردهای خاص نیز فایل کاری خاص خود را دارند که می‌توان به صنعت آسانسور (CiA 417)، ماشین‌های جمع‌آوری زباله (CiA 422)، سامانه‌های نفت و گاز زیر آب (CiA 443) اشاره کرد. در مجموع مشخصات شبکه‌ی CANopen دارای ۲۰.۰۰۰ صفحهٔ A4 در استاندارد DIN‌ است.

نسل دوم: CAN FD

در سال 2012 شرکت Bosch به درخواست چند تولیدکننده‌ی خودرو کار بر روی نسل دوم شبکه‌ی CAN را آغاز کرد. سه سال بعد این نسل جدید کامل و استاندارد ISO 11898-1 ویرایش دوم را کسب نمود. در نسل دوم، قاب داده از ۸ بایت در نسل اولیه به ۶۴ بایت افزایش یافت. در نسل دوم remote-frame که توسط آن یک فرستنده درخواست اطلاعات را از یک تجهیز (گره) معین در شبکه برای همه ارسال می‌کرد دیگر وجود ندارد.

هم‌چنین در شبکه‌ی CAN-FD می‌توان پس از برقراری ارتباط بین دو گره یا به اصطلاح تخصیص اجازه‌ی صحبت سرعت انتقال داده‌ها را افزایش داد. در حالت multi-drop networks سرعت انتقال اطلاعات در دمای بین منفی چهل تا یک صد و بیست و پنج درجه بالای صفر 2Mbit/s است. در وضعیت ارتباط بین نقطه به نقطه (بین دو گره) می توان به سرعت 5Mbit/s دست یافت. بخش فرستنده/گیرنده شبکه‌ی CAN-FD در استاندارد ISO 11898-2 تعریف شده است.

بر طبق مشخصات فنی CAN-SIC-Transceiver‌ انعکاس سیگنال‌های شبکه در کابل‌های ارتباطی حتی در شبکه‌هایی با انشعابات مختلف بسیار کم بوده و به همین دلیل می‌توان تا سرعت 8 Mbit/s را هم متصور بود.

هم‌چنین شبکه‌ی CANopen که براساس نسل اول CAN به‌ وجود آمده بود، در نتیجه‌ی تحقیق و گسترش، مزایای CAN-FD‌ به آن اضافه گردید و به نام CANopen-FD با استانداردهای CiA 1301 و J1939-17/22 به بازار عرضه شد. استانداردهایی که با حرف J شروع می شوند از طرف انجمن SAE و برای خودرو تعریف می‌شوند. البته شبکه‌ی CAN0pen-FD نتوانست راه خود را در بازار هموار سازد و موفقیت کمی را داشت و فقط در برخی از خودروها و ماشین‌های سنگین استفاده شد. برعکس CANopen-FD شبکه‌ی CAN-FD در مسیر جایگزینی کامل CAN-CC در صنعت خودروسازی است. به خصوص در مواردی که حجم بالای اطلاعات و سرعت بیشتر انتقال داده‌ها مانند مدیریت انتقال قدرت در خودروهای سواری جدید مورد نیاز بود، این شبکه بلافاصله جایگزین گردید.

نسل سوم: CAN XL ecosystem

نسل دوم CAN‌ هنوز کاملاً جایگزین نسل اول نشده بود که به درخواست شرکت خودروسازی فولکس واگن آلمان از CiA کار بر روی نسل سوم آغاز گردید. هدف افزایش طول داده‌ها تا 2048 بایت و سرعت انتقال تا حداقل 10 Mbit/s بود. در پایان سال 2018 اولین مشخصات فنی نسل سوم نهایی شد و در اوایل سال ۲۰۲۴ استاندارد ISO 11898-1 ویرایش سوم برای آن تعریف گردید. در حال حاضر استاندارد ISO 11898-1 هرسه نسل پروتکل CAN و نحوه‌ی ارسال داده‌ها را دربر می‌گیرد:

CBFF (classic base frame format): CAN-CC-Data-Telegram with 11Bit-IDs (identifier)
CEFF (classic extended frame format): CAN-CC-Data-Telegram with 29Bit-IDs
RF (remote frame): CAN-CC-Request telegrams with 11 or 29Bit-IDs
FBFF (FD base frame format): CAN-FD-Data-Telegram with 11Bit-IDs
FEFF (FD extended frame format): CAN-FD-Data-Telegram with 29Bit-IDs
XLFF (XL frame format): CAN-XL-Data-Telegram with 11Bit-Priorities-ID and 32Bit-Acceptance field
EF (error frame): Error telegram
OF (overload frame): Overload telegram

در CAN XL‌ بخش تخصیص اجازه‌ی صحبت در شبکه و نام اطلاعات ارسالی از هم‌دیگرجدا شده‌اند. در نسل اول و دوم برای هردو منظور از یازده بیت یا ۲۹ بیت (نسل دوم) بخش ID‌ استفاده می‌شد. در نسل سوم یازده بیت (Priority field) برای بخش اجازه ارسال داده‌ها و ۳۲ بیت بخش (acceptance field) برای نام اطلاعات ارسالی استفاده می‌شود.

هم‌چنین یک بایت جدید در تلگرام ارسالی به‌نام SDT-Field ایجاد شده است. این بخش وظیفه‌ی اطلاع‌رسانی به گیرنده در خصوص پروتکل مورد استفاده را دارد. با این بخش می‌توان در CAN XL از انواع پروتکل‌ها برای کاربردهای مختلف در یک لایه‌ی فیزیکی استفاده نمود. برای مثال می‌توان CANopen و سایر انواع CAN را در یک سیم شبکه ارسال داشت. در حقیقت در یک بستر فیزیکی شبکه می‌توان چندین شبکه‌ی مجازی داشت. این امر برای کم نمودن حجم کابل‌های شبکه، که در گذشته برای هر نوع از انواع CAN باید کابل جداگانه‌ی فیزیکی استفاده می‌شد، اقدام مؤثری بود. مقادیر شناسایی SDT از طرف CiA تعریف شده‌اند. هم‌چنین با افزایش تعداد بایت‌های اطلاعاتی به 2048 امکان ارسال داده‌ها بر اساس فریم اترنت و TCP/IP فراهم شده است.

یک نوآوری جدید دیگر اضافه کردن یک بایت جدید در تلگرام CAN XL به نام VCID-field است. با استفاده از این بایت تا ۲۵۵ آدرس در هرشبکه‌ی مجازی با یک پروتکل مشخص برای مثال CANopen در یک شبکه‌ی فیزیکی قابل تعریف است. با تخصیص یک مقدار مشخص از طرف طراح شبکه‌، گیرنده می‌تواند اطلاعات دریافتی برای کاربردهای مختلف ولی با یک پروتکل بالاتر یکسان را از هم تشخیص دهد. این قابلیت، استفاده از CAN XL به عنوان یک شبکه‌ی پشتیبان را امکان‌پذیر می‌سازد.

امنیت بالا و قابلیت بی‌درنگ

بر روی ‌توسعه‌ی توانایی‌های شبکه‌ی CAN XL ecosystem در انجمن CiA کار می‌شود. یکی از موارد اضافه‌کردن یک زیر لایه به لایه‌ی اتصال داده به صورت سخت‌افزاری برای افزایش امنیت تبادل اطلاعات در مقابل حملات سایبری است. هم‌چنین اضافه کردن امکان تقسیم تلگرام CAN به بسته‌های کوچک و ارسال آن‌ها به گیرنده و سپس چسباندن دوباره این بسته‌های کوچک به هم در گیرنده است. این امر در قابلبت بی‌درنگ بودن شبکه مؤثر است زیرا بسته‌های اطلاعاتی در نسل سوم طولانی هستند.

با بخش سخت‌افزاری فرستنده/گیرنده‌ی CAN-SIC-XL Fast mode می توان در حالت انتقال سریع داده‌ها به سرعت 20 Mbit/s دست یافت. در این حالت به جای روش کدگذاری NRZ از PWM استفاده می‌شود. حالت انتقال سریع دارای معایبی است که می‌توان به عدم استفاده‌ی خودکار قابلیت تکرار ارسال تلگرام‌های معیوب و هم‌چنین در قسمت تخصیص شبکه به یک گره یعنی بخش تخصیص اجازه صحبت حداکثر سرعت 667 kBit/s به جای 1 Mbit/s قابل دستیابی است. در صورتی‌که در حالت SIC‌ از فرستنده/گیرنده استفاده شود (بدون حالت سرعت بالای انتقال اطلاعات) سرعت 667 kBit/s هم‌چنان باقی می‌ماند ولی می‌توان از تجهیزات CAN FD و CAN XL با هم در یک شبکه استفاده کرد و دیگر محدویت تکرار مجدد تلگرام‌های معیوب وجود نخواهد داشت.

انواع مختلف فرستنده/گیرنده در استاندارد ISO 11898-2:2024 به شرح زیر تعریف شده‌اند:

HS (high-speed): It supports bit rate up to1MBit/s.
FD: It is suitable for bit rate over 1MBit/s; depends on its symmetric ability und network topology are 2MBit/s and more possible.
SIC: these transceivers have dynamic impedance and can suppress signal reflex in the network; therefor is bit rate up to 8MBit/s possible.
SIC XL: In FAST-Mode with PWM-coding method and depends on network topology bit rate up to 20MBit/s is possible.

البته قابل ذکر است که نوع SIC-XL هنوز به بازار عرضه نشده است و در مرحله‌ی آزمایشی خود است. ولی بقیه نوع‌های ذکر شده به بازار عرضه شده‌اند.

تعریف دقیق مفاهیم

با ورود نسل سوم شبکه‌ی CAN تعدد انواع آن نیاز مبرمی است که در صحبت‌های فنی یا بررسی و تولید مدارک حتماً به نوع CAN مورد نظر یعنی نسل اول (CC)، نسل دوم (FD) یا نسل سوم (XL) اشاره شود. برای بخش فرستنده/گیرنده به غیر از CAN-XL-Fast mode که الزاماً در نسل سوم قابل استفاده است، سایر انواع برای هر سه نوع CAN قابل استفاده هستند.

در استانداردهای ISO 11898-1:2024 و ISO 11898-2:2024 سایر مفاهیم و اصطلاح‌های فنی جدید دقیقاً تعریف شده‌اند و با توجه به تعاریف آن‌ها امکان اشتباه در به‌کار بردن یا درک آن‌ها به حداقل رسیده است. به همین دلیل CiA به همه توصیه می‌کند که از مفاهیم درج شده در استاندارد استفاده کنند تا دقیق‌تر بتوانند از فناوری CAN استفاده نمایند. هم‌چنین مفاهیم ذکر شده دراستانداردهای ذکر شده تطابق کامل با تعاریف مدل OSI دارد. به عنوان مثال می‌توان به تعاریف message، packet، segment اشاره نمود. با توجه به این تطابق امکان یادگیری و درک مفاهیم آسان ‌تر شده است.

منابع: