CAN FD

CAN FD（Controller Area Network Flexible Data-Rate）は、電子計測機器および制御システムの各部品間を2本のワイヤで接続し、センサーデータや制御情報をブロードキャストするために使用されるデータ通信プロトコルです。このプロトコルは、現代の高性能車両で使用されています。

CAN FD は、ISO 11898-1 で規定されたオリジナルのCAN バスプロトコルの拡張です。CAN FD は、ボッシュが開発した CAN プロトコルの第 2 世代です。 ^{[ 1 ]}フレームの一部をオーバークロックし、ペイロードをオーバーサイズするという基本的なアイデアは、1999 年に遡ります。^{[ 2 ]} 2011 年に開発され、2012 年にボッシュによってリリースされたCAN FD ^{[ 3 ]}は、最新の自動車用電子制御ユニットで使用するために、データ転送速度を最大 5 倍速くし、より大きなフレーム/メッセージ サイズに対応するというニーズを満たすために開発されました。

従来のCANと同様に、CAN FDプロトコルは、電子センサーデバイス、コントローラー、マイクロコントローラー間でセンサーデータ、制御コマンドを確実に送受信し、データエラーを検出するように設計されています。CAN FDは主に高性能車両ECUでの使用を想定して設計されましたが、さまざまな業界で従来のCANが広く普及していることから、ロボット工学、防衛、産業オートメーション、水中車両、医療機器、航空電子機器、ダウンホール掘削センサーなど、さまざまな電子システムにもこの改良されたデータ通信プロトコルが組み込まれることになるでしょう。

従来のCAN（Controller Area Network）とCAN FDの主な違いは、フレキシブルデータ（FD）です。CAN FDを使用すると、電子制御ユニット（ECU）は、異なるデータレートや、より長いメッセージまたはより短いメッセージを動的に切り替えることができます。データ速度の向上とデータ容量の拡張により、従来のCANと比較して、システム運用上の多くの利点が得られます。実行中のECUソフトウェアから発行されたコマンドは、出力コントローラに非常に速く到達します。CAN FDは、一般的に最新の車両の高性能ECUで使用されています。最新の車両には、エンジン作動時や車両走行時にCANバスを介して情報を交換するためにCAN FDを使用するECUが70個以上搭載されている場合があります。

CANバスでは、フレームがメッセージングの基本単位です。従来のCANバスでは、フレームは11ビットの識別子と8バイトのメッセージペイロードで構成されます。CAN FDでは、フレームは29ビットの識別子でラベル付けされ、64バイトのメッセージペイロードを運びます。11ビットの識別子を持つフレームはFDベースフレームフォーマット（FDBF）と呼ばれ、29ビットの識別子を持つフレームはFD拡張フレームフォーマット（FEFF）と呼ばれます。CAN FDでは5～8 Mbit/sのペイロードデータレートが可能ですが、全体のデータ転送速度はバスネットワークの全長とバス信号の生成と検出に使用されるトランシーバに依存します。さらに、従来のCANデバイスとの互換性を維持するために、アービトレーションデータレートは1 Mbit/sに制限されています。CAN FDプロトコル仕様では、受信したCANメッセージのエラー検出^{[ 4 ]}が改善され、センサーのポーリングレートの違いに対応するためにデータ転送速度の柔軟性が向上しています。 CANバスは、電子センサー、コントローラーユニット、ECUなどが接続される共有のワイヤペアで構成され、定期的に、または必要に応じて動作するユニット間で情報を交換するために使用されます。接続されているユニットの総数、CANバスワイヤの長さ、およびその他の電磁気的要因によって、特定のCANバスで可能な最速のデータ転送速度が決まります。CANプロトコルのすべてのバージョンは、信号伝搬時間、ネットワークトポロジー、およびバス上のユニット数に応じて、堅牢な衝突解決機能を備えるように設計されています。メッセージの衝突を最小限に抑え、コストのかかるエラー訂正を削減するために、多くのCANバス構成では、データ転送速度をバスの理論上の最大速度よりもかなり低く制限する場合があります。

Tindelの式に基づいて「De Andrade」の式によって開発されたCAN-FDバス負荷。^{[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]}

β = τ/ω (β = バス負荷)、(τ = 低速ビットと高速ビットの時間)、ω (秒単位の測定時間)。 τ = Ts + Tf

CAN-FDプロトコルは、5つの異なるエラー検出メカニズムを定義しています。そのうち2つはビットレベルで動作し、残りの3つはメッセージレベルで動作します。それらは以下のとおりです。

- (1) ビットモニタリング、 - (2)ビットスタッフィング、 - (3) フレームチェック、 - (4) 確認チェックと - (5)巡回冗長検査。CRCには2つのオプションがあり、CRC長が17ビット（データ長0～16バイト）またはCRC長が21ビット（データ長17～64バイト）として指定する必要があります。

（固定サイズの）ヘッダーの送信時間は、次式で与えられる。

${\displaystyle \textstyle T_{s}=\left({\frac {\left({\text{SOF}}+{\text{ID}}+r1+{\text{IDE}}+{\text{EDL}}+r0+{\frac {\text{BRS}}{2}}+{\frac {\text{CRCdel}}{2}}\right)\cdot 1.2}{t_{x}}}\right)+{\frac {{\text{ACK}}+{\text{DEL}}+{\text{EOF}}+{\text{IFS}}}{t_{x}}}}$

各フィールドは下の表で説明されています。ここでは、1.2 は最悪の場合のビットスタッフィングの係数として扱われ、^{[ 7 ]}これは計算が 25% 増加することを意味します。BRS と CRCdel はビットレート遷移のシフトに正確に位置するため、2 で割った値とみなされます。

ペイロードの送信時間は次のように計算されます。

$${\displaystyle \textstyle T_{f}={\frac {\left(\left(D_{f}+{\text{ESI}}+{\text{DLC}}+{\frac {\text{BRS}}{2}}+{\frac {\text{CRCdel}}{2}}\right)\cdot 1.2\right)+{\text{CRC}}+{\text{SB}}}{t_{Y}}}}$$

ここで、SB はスタッフィング ビットを表します (6 バイト未満のパケットの場合は 5 ビット、6 バイトを超えるパケットの場合は 6 ビット)。CRC もサイズに依存し、6 バイト未満のパケットの場合は 17 ビット、6 バイトを超えるパケットの場合は 21 ビットに設定されます。Df は CAN-FD ペイロード サイズを表し、0 ～ 8、12、16、20、24、32、48、64 バイトです。t_X はメッセージ ヘッダーの伝送帯域幅です (最大 1  Mbit/s)。

CAN FD は、 CRCアルゴリズム の性能向上により、検出されないエラーの数も減少させています。^{[ 8 ]}さらに、CAN FD は既存の CAN 2.0 ネットワークと互換性があり、新しいプロトコルが従来の CAN と同じネットワーク上で機能することができます。^{[ 9 ]} CAN FD のビットレートは、適切な CAN SIC (信号改善機能) トランシーバーを使用すれば最大 8 Mbit/s となり、1 Mbit/s のデータフェーズ を持つ従来の CAN よりも最大 8 倍高速になります。 

通信速度が速いため、CAN FD の制約はライン寄生容量に関してより厳しくなっています。そのため、ライン上のすべてのコンポーネントの「容量」バジェットは、通常のCAN バスと比較して減少しています。これが、半導体サプライヤーが自動車メーカーに承認された新しいコンポーネントをリリースした理由です。この承認は、すべての CAN FD システム間の相互運用性の必要性を反映しています。実際、選択された ESD 保護コンポーネントは、すべてのトランシーバー (CAN または CAN FD) と互換性があり、ISO7637-3 に耐えます。^{[ 10 ]}

より高いスタンドオフ電圧（≤ 37  V）にもかかわらず、トラック用途のデバイスは低容量要件（3.5  pF）にも準拠する必要があります。^{[ 11 ]}

実際のデータ送信に使用されるデータフレームには、2つのメッセージ形式があります。

• 基本フレーム形式：11ビットの識別子付き
• 拡張フレームフォーマット：29ビットの識別子付き

フレームフォーマットは以下のとおりです。ビット値はCAN-LO信号について説明されています。

上記の表は、CANフレームに収まるよりも長いデータパケットを送信するために使用される、ISO 15765-2（ISO-TP）に基づいたCAN + CANFD用に定義された転送プロトコルについて説明しています。

• 最初のバイトが0x00であれば、それはCAN-FD SFであり、2番目のバイトはデータのサイズを指定します。
• 最初のバイトが0x01～0x07の場合、それは通常のCAN SFであり、このバイトは1～7バイトのデータのサイズを示しています。
• 最初の2バイトが0x1000であれば、それはCAN-FD FFであり、続く4バイトは上位バイトを先頭としてデータのサイズを指定します。これにより、 CAN FDで約4GBのデータを送信することが事実上可能になります。
• 最初の2バイトが0x1008-0x1FFFであれば、サイズが0x008-0xFFFの通常のCAN FFです。

 CAN FD は、従来の CAN および CAN FD 用のトランシーバーを使用できます。さらに、5 ～ 8 Mbit/s のデータレートを持つ新しい CAN SiC (信号改善機能) トランシーバーもあります。 ^{[ 12 ]}

2017年の時点で、CAN FDは2019年から2020年までにほとんどの車両で使用されると予測されていた。

新しい規格の背後にある企業には、STMicroelectronics、Infineon、^{[ 13 ]} NXP、Texas Instruments、Kvaser、Daimler、GMなどが含まれます。

CAN FDは、CANopen FDやJ1939などの上位レイヤプロトコルにおいて基本的なデータリンクレイヤを構成し、様々な企業がプロトコルスタックでサポートしています。

CAN XLは、従来のCANおよびCAN FDに続く、CANデータリンク層の第3バージョンです。CAN FDはCAN XLと互換性があります。

• CAN FDと従来のCANの比較
• CAN FD：理論から実践へ
• LinuxとISO 15765-2、CAN FD - CANとCANFDにおける（ペイロード）データ長の違いの詳細
• LinuxとISO 15765-2、CAN FDに関する第15回国際CAN会議2015