CAN FD – einfach erklärt

CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate) ist die Weiterentwicklung des klassischen CAN-Bus. Gegenüber Classical CAN ermöglicht CAN FD bis zu 64 Byte Nutzdaten pro Frame und eine höhere Datenrate in der Datenphase. Dadurch lassen sich mehr Daten effizienter übertragen, ohne das bewährte Grundprinzip der CAN-Kommunikation zu verlassen. CAN FD wird heute überall dort eingesetzt, wo klassische CAN-Netzwerke an Grenzen bei Datendurchsatz, Diagnose oder Software-Updates stoßen.

Was ist CAN FD?

CAN FD steht für CAN with Flexible Data-Rate. Das Protokoll erweitert den klassischen CAN-Bus um zwei zentrale Eigenschaften:

Zum einen kann ein CAN-FD-Frame deutlich mehr Nutzdaten transportieren als ein klassischer CAN-Frame. Statt maximal 8 Byte sind bei CAN FD bis zu 64 Byte pro Nachricht möglich. Zum anderen erlaubt CAN FD eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit in der Datenphase. Dadurch steigt die Effizienz des Netzwerks deutlich.

CAN FD wurde entwickelt, um moderne Anwendungen mit höherem Datenaufkommen besser zu unterstützen. Dazu zählen beispielsweise Diagnosefunktionen, Flash-Programmierung von Steuergeräten, Messdatenerfassung und Systeme mit steigender Kommunikationsdichte.

Inhalt

Was ist CAN FD?
CAN FD vs. CAN: die Unterschiede
Wie funktioniert CAN FD?
CAN-FD Frames und Felder
Vorteile von CAN FD
Typische Anwendungsfälle
FAQ zu CAN FD
CAN-FD Controller

CAN FD vs. CAN – die wichtigsten Unterschiede

Der wichtigste Unterschied zwischen Classical CAN und CAN FD liegt in der Kombination aus größerer Nutzdatenlänge und höherem Datendurchsatz. CAN FD wurde so entwickelt, dass bestehende CAN-Konzepte erhalten bleiben, gleichzeitig aber mehr Effizienz für moderne Anwendungen möglich wird.

Merkmal

Classical CAN

CAN FD

Maximale Nutzdaten pro Frame

8 Byte

64 Byte

Datenrate

einheitlich über gesamten Frame

höhere Datenrate in der Datenphase möglich

Bit Rate Switching (BRS)

nein

ja

Effizienz bei großen Datenmengen

begrenzt

deutlich höher

Remote Frame

unterstützt

nicht vorgesehen

Eignung für Diagnose / Flashing

eingeschränkt

sehr gut geeignet

Für viele klassische Steuerungsaufgaben ist der herkömmliche CAN-Bus weiterhin ausreichend. Sobald jedoch größere Datenmengen, kürzere Übertragungszeiten oder effizientere Diagnose- und Update-Prozesse erforderlich sind, bietet CAN FD klare Vorteile.

Wie funktioniert CAN FD?

CAN FD basiert auf dem bekannten CAN-Prinzip, erweitert den Datenrahmen jedoch um zusätzliche Möglichkeiten. Besonders wichtig sind dabei die flexible Datenrate, die größere Nutzdatenlänge und neue Kennungen im Frame-Format.

Ein CAN-FD-Frame kann in zwei Geschwindigkeitsbereiche aufgeteilt werden:

In der Arbitrationsphase läuft die Kommunikation mit einer zur Netzwerktopologie passenden Bitrate.
In der Datenphase kann die Bitrate erhöht werden, wenn Bit Rate Switching (BRS) verwendet wird.

Auf diese Weise bleibt das Verfahren der Busarbitrierung erhalten, während die eigentliche Datenübertragung deutlich effizienter wird.

CAN FD Base Frame – Arbitrationsphase und Datenphase

Bit Rate Switching (BRS)

Bit Rate Switching ist eine der wichtigsten Erweiterungen von CAN FD. Dabei wird während der Arbitration mit einer konservativen Bitrate gearbeitet. Nach erfolgreicher Busarbitrierung kann die Datenphase mit höherer Geschwindigkeit übertragen werden. Das erhöht den effektiven Datendurchsatz, ohne das Grundprinzip des CAN-Busses zu verändern.

Mehr Nutzdaten pro Nachricht

Während klassische CAN-Nachrichten auf 8 Byte Nutzdaten begrenzt sind, unterstützt CAN FD bis zu 64 Byte. Dadurch sinkt die Anzahl der benötigten Frames bei größeren Datenblöcken. Das reduziert Overhead und verbessert die Effizienz der Kommunikation.

Warum CAN FD entwickelt wurde

Mit steigender Anzahl an Steuergeräten, Diagnosefunktionen und Software-Anteilen in Maschinen und Fahrzeugen wachsen die Anforderungen an die Kommunikation. CAN FD wurde entwickelt, um diese Anforderungen innerhalb der bekannten CAN-Welt besser abzubilden: mehr Daten pro Nachricht, kürzere Übertragungszeiten und höhere Effizienz im bestehenden Systemkonzept.

CAN-FD Frames und wichtige Felder

Der CAN-FD-Datenrahmen ähnelt dem klassischen CAN-Frame, enthält aber zusätzliche Informationen für die erweiterten Funktionen. Dazu zählen insbesondere Kennungen für das FD-Format, die Umschaltung der Bitrate und den Status des sendenden Knotens.

Bei Classical CAN wurde lediglich zwischen zwei Datenrahmen unterschieden: Standard Frames (CAN 2.0A) mit 11-Bit Identifier und Extended Frames (CAN 2.0B) mit 29-Bit Identifier. Diese Formate bleiben in dieser Form erhalten, bekommen im Zuge von CAN FD jedoch einen neuen Namen.

Abkürzung

Bedeutung

Beschreibung

CBFF

Classical Base Frame Format

11-Bit Identifier, maximal 8 Byte Nutzdaten, (bisher Standard Frame)

CEFF

Classical Extended Frame Format

29-Bit Identifier, maximal 8 Byte Nutzdaten, (bisher Extended Frame)

FBFF

FD Base Frame Format

11-Bit Identifier, maximal 64 Byte Nutzdaten

FEFF

FD Extended Frame Format

29-Bit Identifier, maximal 64 Byte Nutzdaten

CAN Frame Formate

Ein CAN FD Controller ist abwärtskompatibel, d.h. er kann die bisherigen Formate des Classical CAN verarbeiten. Umgekehrt geht dies jedoch nicht: für einen Classical CAN Controller sind die Frame Formate FBFF und FEFF unbekannt und führen unweigerlich zur Aussendung von Error Frames. Daher müssen für den Einsatz von FD Frame Formaten alle Teilnehmer im Netzwerk einen CAN FD Controller haben.

Die wesentlichen Unterschiede im Rahmenaufbau zum Classical CAN Data Frame sind in Bild 1 kenntlich gemacht.

CAN FD Base Frame Format

Das CAN FD Format unterstützt keine Remote Frames, das bisherige RTR Bit nach dem Identifier wird durch das Bit „Remote Request Substitution“ (RRS) ersetzt.

FDF – FD Format

Das FDF-Bit kennzeichnet einen Frame als CAN-FD-Nachricht. Damit können Teilnehmer erkennen, dass es sich nicht um einen klassischen CAN-Frame handelt.

BRS – Bit Rate Switch

Das BRS-Bit zeigt an, dass in der Datenphase auf eine höhere Bitrate umgeschaltet wird. Ist BRS aktiv, lässt sich der Geschwindigkeitsvorteil von CAN FD gezielt nutzen.

ESI – Error State Indicator

Über das Bit ESI (Error State Indicator) im Control Field wird nun durch den Sender einer Nachricht signalisiert, ob er sich im Error Active oder Error Passive Zustand befindet, was die Fehlersuche in Netzwerken erheblich verbessert.

Um durch die potenziell höhere Anzahl an Stuff-Bits in einer Nachricht nicht Gefahr zu laufen, einen schlechteren Wert für die Restfehlerwahrscheinlichkeit als bei Classical CAN zu erhalten, wurde ein Stuff-Bit Counter (3 Bit + Parity) eingeführt. Das neue Stuff-Count Feld wird zu Beginn des CRC Feldes gesendet.

DLC bei CAN FD

War bei einem Classical CAN Frame der gültige Wertebereich für das DLC Feld (Data Length Code) im Bereich 0 bis 8, so sind bei einem CAN FD Frame die Werte 0 bis 15 gültig. Der Wert des DLC Feldes bestimmt die Anzahl der Bytes im Data Field und wird in folgender Weise interpretiert:

Kodierung der Datenlängen

DLC Wert

Data Field size (Bytes)

0 .. 8

9

12

10

16

11

20

DLC Wert

Data Field size (Bytes)

12

24

13

32

14

48

15

64

Auch ohne die schnellere Datenübertragung in der Datenphase bringt allein schon die größere Datenmenge erhebliche Vorteile. Bei einer nominalen Bitrate von 1 MBit/s liegt die Netto-Übertragungsrate (d.h. die Transferrate für das Data Field) für einen Classical CAN Controller bei 576 kBit/s. Bei einem CAN FD Frame mit einer Datenlänge von 64 Byte liegt die Netto-Übertragungsrate bei 903 kBit/s.

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Mehr Informationen

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Vorteile von CAN FD

CAN FD bietet gegenüber klassischem CAN mehrere klare Vorteile:

Höherer Datendurchsatz

Durch größere Nutzdatenfelder und eine schnellere Datenphase können mehr Informationen in kürzerer Zeit übertragen werden.

Weniger Overhead

Wenn größere Datenmengen in einem Frame übertragen werden, sinkt die Anzahl einzelner Nachrichten. Das reduziert Protokoll-Overhead und erhöht die Effizienz.

Ideal für Diagnose und Updates

CAN FD eignet sich besonders für Diagnosekommunikation, Logging, Parametrierung und Software-Updates, weil größere Datenblöcke schneller übertragen werden können.

Bewährtes CAN-Prinzip bleibt erhalten

CAN FD ist keine völlig neue Kommunikationswelt, sondern eine Erweiterung des bekannten CAN-Systems. Das erleichtert den Einstieg in vielen Anwendungen.

Typische Anwendungsfälle für CAN FD

CAN FD wird vor allem dort eingesetzt, wo klassische CAN-Kommunikation funktional erhalten bleiben soll, der Datendurchsatz jedoch steigen muss.

Steuergeräte-Programmierung

Größere Datenmengen lassen sich deutlich effizienter übertragen als mit klassischem CAN. Das verkürzt Update- und Programmierzeiten.

Diagnose und Service

Diagnosedaten, Messwerte und Parametrierinformationen können schneller transportiert werden. Das ist besonders bei komplexeren Systemen von Vorteil.

Mess- und Prüftechnik

In Prüfständen, Testsystemen und Entwicklungsumgebungen ermöglicht CAN FD eine effizientere Übertragung größerer Datenblöcke.

Maschinen, mobile Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge

Überall dort, wo robuste CAN-Kommunikation etabliert ist, aber mehr Datenbedarf entsteht, ist CAN FD ein naheliegender Entwicklungsschritt.

FAQ zu CAN FD

Was bedeutet CAN FD?

CAN FD bedeutet CAN with Flexible Data-Rate. Es handelt sich um eine Erweiterung des klassischen CAN-Bus mit größerer Nutzdatenlänge und höherer Datenrate in der Datenphase.

Was ist der Unterschied zwischen Classical CAN und CAN FD?

Der wichtigste Unterschied ist: CAN CC unterstützt bis zu 8 Byte Nutzdaten pro Frame, CAN FD bis zu 64 Byte. Zusätzlich kann CAN FD durch Bit Rate Switching in der Datenphase schneller übertragen.

Wie viele Daten können mit CAN FD übertragen werden?

CAN FD unterstützt bis zu 64 Byte Nutzdaten pro Frame.

Ist CAN FD abwärtskompatibel?

CAN-FD-Controller können auch klassische CAN-Kommunikation verarbeiten. Umgekehrt können klassische CAN-Knoten einen CAN-FD-Frame jedoch nicht verarbeiten. Deshalb muss die Systemkompatibilität immer auf Netzwerkebene betrachtet werden.

Unterstützt CAN FD Remote Frames?

Nein, Remote Frames sind bei CAN FD nicht vorgesehen.

Wann sollte man CAN FD einsetzen?

CAN FD ist sinnvoll, wenn mehr Datendurchsatz, größere Nutzdatenblöcke oder effizientere Diagnose- und Update-Prozesse benötigt werden. Grundsätzlich sollten bei Neuentwicklungen immer Controller mit CAN-FD Unterstützung eingeplant werden.

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Verfügbare CAN FD Controller

Die Entwicklung von CAN FD Systemen steht und fällt mit verfügbaren CAN Controllern. Die folgende Liste gibt eine Übersicht über den aktuellen Stand der CAN FD Microcontroller, erhebt aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Hersteller

Controller

Beschreibung

CAN Core

Microchip

MCP2517FD

Externer CAN FD Controller, 1 x CAN, SPI Interface

Microchip

Microchip

MCP2518FD

Externer CAN FD Controller, 1 x CAN, SPI Interface

Microchip