Được tiêu chuẩn hóa từ năm 1986 (ISO 11898-1:2015), giao thức CAN đóng vai trò cốt lõi trong các hệ thống điều khiển phân tán (ô tô, hàng không, thiết bị công nghiệp, robot). Tuy nhiên, kiến trúc này hiện đang chạm ngưỡng giới hạn kỹ thuật trước sự bùng nổ dữ liệu của các hệ thống hiện đại:

• Băng thông thắt cổ chai: Tốc độ truyền dẫn dữ liệu bị giới hạn cứng ở mức tối đa 1 Mbit/s.
• Hiệu suất tải trọng thấp: Mỗi khung dữ liệu (data frame) chỉ chứa tối đa 8 byte, khiến tỷ lệ dữ liệu điều khiển phụ (overhead) vượt quá 50%.
• Áp lực kiến trúc hệ thống: Sự gia tăng các chức năng điện tử trên phương tiện hiện đại tạo ra lưu lượng dữ liệu vượt quá khả năng xử lý của mạng CAN truyền thống, buộc các nhà sản xuất (OEM) phải sử dụng các giải pháp thay thế phức tạp và tốn kém.

Để khắc phục các điểm nghẽn về băng thông và dung lượng khung tin của hệ thống cũ, tiêu chuẩn CAN FD (Flexible Data-rate) được thiết kế nhằm mở rộng khả năng truyền tải, đáp ứng yêu cầu dữ liệu cho các kiến trúc mạng điện tử thế hệ mới

Động cơ thúc đẩy

Giao thức CAN (Controller Area Network) đã xuất hiện từ những năm 1980 và đã trở thành mạng trên xe được sử dụng rộng rãi nhất cho ECU và giao tiếp với cảm biến. 

Với nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng, sự an toàn và quy định luật pháp đối với ô tô, số lượng thiết bị điện tử nhúng truyền dữ liệu không ngừng tăng lên và lượng dữ liệu được sử dụng để kiểm soát và dữ liệu chẩn đoán thậm chí còn tăng nhanh. Điều này đã tạo ra nhu cầu có thể truyền nhiều dữ liệu hơn bên trong xe để đạt được chức năng cần thiết cho các phương tiện ngày nay. Nhưng cũng giống như mọi thứ trong ô tô, chi phí để có thể làm được điều này là rất quan trọng và phải được giảm thiểu để ngành có thể áp dụng nó trên quy mô lớn. 

Giao thức CAN FD đạt được điều đó bằng cách thực hiện hai yêu cầu chính của ngành: 

Tăng băng thông truyền thông điện tử ở ô tô 

Thông số kỹ thuật CAN ban đầu được xác định trong tiêu chuẩn ISO 11898 giới hạn giao tiếp mạng ở băng thông tối đa là 1 Mbit/s. Hạn chế này khiến các nhà cung cấp và nhà sản xuất ô tô muốn tiếp tục sử dụng giao thức CAN để thiết kế các mạng CAN bổ sung vào phương tiện nhằm truyền dữ liệu cần thiết. Tuy nhiên, việc có nhiều mạng hơn trong ô tô dẫn đến yêu cầu hệ thống dây điện bổ sung đáng kể, điều này làm tăng thêm trọng lượng của xe và làm giảm hiệu suất cũng như hiệu quả sử dụng nhiên liệu. 

CAN FD giải quyết vấn đề giới hạn băng thông bằng cách cho phép tốc độ bit cao hơn 1 Mbit/s đồng thời tăng khả năng hỗ trợ tải trọng trong thông điệp CAN FD lên mức tối đa trước đó là 8 byte. Nhiều công ty ô tô vẫn đang xem xét tốc độ bit mà họ sẽ sử dụng trong ô tô, nhưng một số công ty, mức phổ biến nhất là 2 và 5 Mbit/s, trong khi những công ty khác đang xem xét sử dụng tới 8 Mbit/s cho các ứng dụng chính như nhấp nháy ECU và truyền đi những thông điệp dài. Các khung được định dạng CAN FD tăng đáng kể hỗ trợ kích thước thông điệp bằng cách cho phép tối đa 64 byte trong một thông điệp. 

Tăng băng thông 

Thông số kỹ thuật CAN ban đầu được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 11898 giới hạn giao tiếp mạng với băng thông tối đa là 1 Mbit/s. Hạn chế này khiến các nhà cung cấp và nhà sản xuất ô tô muốn tiếp tục sử dụng giao thức CAN để thiết kế thêm các mạng CAN vào xe nhằm truyền tải dữ liệu cần thiết. Tuy nhiên, nhiều mạng hơn trong một chiếc xe yêu cầu thêm nhiều dây điện, điều này làm tăng trọng lượng của xe và giảm hiệu suất và hiệu quả nhiên liệu của xe.

CAN FD giải quyết vấn đề giới hạn băng thông bằng cách cho phép tốc độ bit cao hơn 1 Mbit/s, đồng thời tăng cường hỗ trợ tải trọng trong một tin nhắn CAN FD vượt quá giới hạn tối đa trước đây là 8 byte. Nhiều công ty ô tô vẫn đang xem xét các tốc độ bit mà họ sẽ sử dụng trong xe, nhưng một số tốc độ phổ biến nhất là 2 và 5 Mbit/s, trong khi những công ty khác đang xem xét sử dụng lên đến 8 Mbit/s cho các ứng dụng chính như nhấp nháy ECU và truyền tải các tin nhắn dài. Các khung định dạng CAN FD tăng cường đáng kể hỗ trợ tải trọng bằng cách cho phép lên đến 64 byte trong một tin nhắn duy nhất.

Thách thức

Hai thách thức cốt lõi của giao thức CAN định hình cấu trúc của CAN FD bao gồm:

• Tránh trì hoãn tin nhắn quan trọng: Nếu đơn giản đóng gói 64 byte dữ liệu vào khung Classical CAN mà giữ nguyên tốc độ bit cũ, bus CAN sẽ bị chiếm dụng lâu hơn, làm chậm trễ các khung dữ liệu có độ ưu tiên cao. Do đó, cần tăng tốc độ truyền để gửi được nhiều dữ liệu hơn mà không làm gián đoạn thời gian thực. 
• Duy trì chiều dài dây CAN thực tế (giới hạn trọng tài): Không thể tăng tốc toàn bộ thông điệp (bao gồm cả phần trọng tài) vì quá trình trọng tài (arbitration) yêu cầu các nút truyền dữ liệu đồng thời để xác định nút nào được quyền ưu tiên tiếp tục phát sóng mà không bị trì hoãn, trong khi các nút khác phải lùi lại.

Ưu thế‍

CAN FD nổi bật với một số lợi thế đáng chú ý khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các hệ thống nhúng hiện đại:

Tăng tốc độ truyền: CAN FD cung cấp băng thông dữ liệu cao hơn đáng kể, dẫn đến giảm độ trễ đáng kể và cải thiện khả năng phản hồi của các hệ thống nhúng. Hiệu suất này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu trao đổi nhanh, chẳng hạn như hệ thống điều khiển thời gian thực.

Dung lượng dữ liệu mở rộng: Bằng cách tăng dung lượng truyền tải lên 64 byte mỗi khung, CAN FD tối ưu hóa hiệu quả mạng bằng cách giảm số lượng tin nhắn cần thiết để truyền tải khối lượng dữ liệu lớn.

Tương thích ngược: CAN FD được thiết kế để tích hợp liền mạch vào các hệ thống sử dụng giao thức CAN cổ điển. Sự tương thích này tạo điều kiện cho việc chuyển đổi dần dần sang CAN FD mà không cần thay đổi lớn đối với cơ sở hạ tầng hiện có.

Độ bền và bảo mật: Trong khi vẫn giữ được độ bền của giao thức CAN trước nhiễu điện từ, CAN FD mang lại tiềm năng nâng cao để triển khai các tính năng bảo mật tiên tiến, đáp ứng các yêu cầu của môi trường công nghiệp khắt khe.

Ứng dụng

Xe điện
Xe điện và xe hybrid sử dụng các khái niệm truyền động mới đòi hỏi tốc độ bit cao hơn nhiều. Sự phức tạp gia tăng đến từ các đơn vị điều khiển mới liên quan đến bộ biến tần DC/DC, pin, bộ sạc, bộ mở rộng phạm vi, v.v. Đến năm 2025, dự kiến tốc độ bit cần thiết sẽ vượt quá CAN - và với sự gia tăng bùng nổ của xe điện, điều này có thể là mũi nhọn cho việc triển khai CAN FD.

Flashing ECU
Phần mềm xe ngày càng trở nên phức tạp hơn. Do đó, việc cập nhật ECU qua cổng OBD2 chẳng hạn có thể mất hàng giờ ngày nay. Với CAN FD, các quy trình như vậy có thể được thực hiện nhanh hơn 4 lần. Trường hợp sử dụng này đã là một trong những động lực ban đầu thúc đẩy nhu cầu về CAN FD từ các nhà sản xuất ô tô OEM.‍

Robotics
Một số ứng dụng dựa vào hành vi đồng bộ thời gian - ví dụ như cánh tay robot với nhiều trục. Những thiết bị như vậy thường sử dụng CANopen và yêu cầu nhiều khung CAN (PDOs) được gửi đồng bộ theo thời gian bởi mỗi bộ điều khiển (không bị gián đoạn bởi các khung ưu tiên cao hơn). Bằng cách chuyển sang CAN FD, dữ liệu có thể được gửi trong một khung duy nhất để tăng hiệu quả.‍

ADAS & lái xe an toàn
Ngày càng nhiều, các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) đang được giới thiệu trên các xe ô tô chở khách và xe thương mại. Điều này gây áp lực lên tải trọng của bus CAN cổ điển, nhưng ADAS là chìa khóa để cải thiện an toàn. Ở đây, CAN FD sẽ là chìa khóa để nâng cao an toàn lái xe trong tương lai gần.‍

Xe tải & xe buýt
Xe tải và xe buýt sử dụng các bus CAN dài (10-20 mét). Kết quả là, chúng phụ thuộc vào tốc độ bit chậm (250 kbit/s hoặc 500 kbit/s theo tiêu chuẩn J1939-14). Ở đây, giao thức J1939 FD sắp tới được kỳ vọng sẽ mang lại sự cải thiện đáng kể trong các tính năng của xe thương mại, bao gồm cả ADAS.