CANFD芯片在工控机数据采集和测量中的应用分析

摘要： 随着工业自动化的不断发展，工控机在数据采集和测量方面的应用日益广泛。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）芯片作为一种高性能的通信接口芯片，在工控机系统中扮演着关键角色。本文综合分析了 CANFD 芯片的技术特点、性能表现以及在工控机数据采集和测量中的应用优势，通过对其在实际工况下的测试数据和试验结果的深入探讨，阐述了其在提升工控机系统可靠性、实时性和效率方面的显著作用，为工业控制领域提供了有价值的参考和技术支持。

一、引言

在现代工业控制系统中，数据采集与测量是实现自动化控制和监测的基础环节。工控机作为工业控制的核心设备，需要高效、可靠的通信接口来确保数据的准确传输和及时处理。CANFD 作为一种先进的通信协议，其对应的芯片技术也在不断进步。厦门国科安芯科技有限公司推出的 ASM1042 系列 CANFD 通信接口芯片，以其卓越的性能和广泛的应用前景，成为工业控制领域关注的焦点。本文旨在深入分析 CANFD 芯片在工控机数据采集和测量中的应用，探讨其技术优势和实际效益。

二、工业控制对数据采集和测量的要求

工业控制涉及多种复杂环境和高精度操作，因此对数据采集和测量系统提出了严格要求。首先，实时性至关重要，系统必须能够在极短时间内采集和传输数据，以支持实时控制决策。其次，高精度和可靠性是确保生产质量和设备安全的关键，尤其是在涉及精密制造、化工过程控制等场景中。此外，工业环境中的电磁干扰、高低温变化等恶劣条件对通信接口的稳定性构成了挑战，通信接口芯片需要具备强大的抗干扰能力和环境适应性。最后，随着工业物联网的发展，海量数据的高效处理和传输需求日益增长，这对通信芯片的带宽和数据处理能力提出了更高要求。

三、CANFD 技术概述

（一）传统 CAN 总线的局限性

传统 CAN（Controller Area Network）总线在工业控制领域应用广泛，但随着工业自动化系统复杂度的提升和数据量的增加，其数据传输速率和带宽限制逐渐显现。传统 CAN 总线的最高波特率通常为 1Mbps，在高数据量传输场景下容易出现瓶颈，导致系统实时性下降。

（二）CANFD 协议的改进

CANFD 协议在传统 CAN 基础上进行了扩展和优化，显著提高了数据传输速率和效率。CANFD 支持灵活的数据传输速率，在仲裁阶段仍保持传统 CAN 的 1Mbps 速率，而在数据阶段可提升至最高 8Mbps，极大增加了数据吞吐量。同时，CANFD 增加了数据帧长度，从传统 CAN 的 8 字节扩展至最多 64 字节，减少了传输相同数据量所需的数据帧数量，降低了总线负载率，提升了传输效率。

四、CANFD 芯片ASM1042 的性能特点

（一）高速数据传输能力

国科安芯推出的ASM1042 芯片支持高达 5Mbps 的数据速率，满足工业控制中对快速数据传输的需求。其较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，有效增加了时序裕量，确保在高波特率下数据传输的稳定性和可靠性，提高了工控机系统在实时数据采集和测量中的响应速度。

（二）高 EMC 性能

电磁兼容性（EMC）对于工业环境中的通信芯片至关重要。ASM1042 符合 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 标准，在最高 500kbps 的数据速率下无需共模扼流圈即可正常工作，降低了系统设计复杂度和成本。这一特性使其在电磁干扰较强的工业现场中能够稳定运行，减少因电磁干扰导致的数据传输错误和系统故障。

（三）宽电压范围和多种保护机制

ASM1042 支持 3.3V 和 5V 的 I/O 电压范围，与不同类型的 MCU具有良好的兼容性，方便在不同工业控制系统的集成应用。其保护特性丰富，包括±15kV 的 IEC ESD 保护、±70V的总线故障保护、VCC 和 VIO（仅限 V 型号）电源终端的欠压保护、驱动器显性超时保护（TXD DTO）以及热关断保护（TSD）等。这些保护机制有效提升了芯片在复杂工业环境中的生存能力和可靠性，降低了因外部电压异常、静电放电等引起的芯片损坏风险，减少了系统的维护成本和停机时间。

（四）低功耗和待机模式

在工业控制中，能源效率和设备的长期稳定性受到关注。ASM1042 具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性，当处于待机模式时，可显著降低功耗，延长系统在有限能源供应下的运行时间，同时保持对唤醒信号的响应能力，实现快速启动和数据采集，适用于电池供电或能源受限的工业应用场景，如远程监测设备、移动机器人等。

（五）高可靠性设计

ASM1042 的设计和制造遵循高标准的可靠性要求。芯片通过 AEC-Q100 Grade1 认证，确保其在广泛的温度范围（-40℃至 125℃）内稳定工作，满足工业控制中对设备在恶劣环境下的运行期望。其内部电路采用多种保护措施和冗余设计，提高了系统的容错能力和抗干扰能力，降低了因芯片故障导致的生产中断风险，保障了工业生产过程的连续性和稳定性。

五、ASM1042 CANFD 芯片在工控机数据采集和测量中的应用优势

（一）提升系统实时性

在工业自动化生产线中，如机器人焊接、装配等需要高精度实时控制的场景，ASM1042 的高速数据传输能力能够确保传感器采集到的位置、速度、温度等数据及时传输至工控机，使控制系统能够快速做出调整和决策，提高生产效率和产品质量。例如，在汽车制造的自动化喷漆车间，基于 ASM1042 的数据采集系统能够实时监测喷漆机器人的运动状态和漆料流量，及时反馈并调整喷漆参数，保证喷漆的均匀性和一致性，减少次品率。

（二）增强系统抗干扰能力

工业现场存在大量的电机、变频器、焊接设备等，这些设备运行时会产生强烈的电磁干扰。ASM1042 出色的 EMC 性能使其能够在这样的电磁环境中稳定工作，确保数据传输的完整性。例如，在钢铁厂的自动化控制系统中，安装在轧钢机附近的传感器可通过 ASM1042 芯片与工控机相连，即使在轧钢机产生的强电磁干扰下，仍能准确传输轧钢过程中的压力、温度、厚度等关键数据，为生产过程的优化和质量控制提供可靠依据。

（三）适应复杂工业环境

工业环境温度变化大，从寒冷的露天煤矿到高温的玻璃熔窑车间，设备都需要稳定运行。ASM1042 的宽温度范围适应性和多种保护机制使其能够在这些极端环境下长期工作。以化工生产中的反应釜温度监测系统为例，安装在反应釜内的温度传感器通过 ASM1042 芯片连接到工控机，即使在反应釜内部高温、强腐蚀性气体等恶劣条件下，芯片仍能正常工作，实时监测温度变化，防止因温度失控导致的化学反应异常和安全事故。

（四）简化系统设计和集成

ASM1042 的宽电压范围和与多种 MCU 的兼容性，为工业控制系统的设计和集成提供了便利。工程师可以根据实际需求选择不同类型的 MCU，而无需担心通信接口的匹配问题。此外，其在未供电时的理想无源行为，即总线和逻辑引脚处于高阻态，不会对其他设备造成干扰，简化了系统上电和断电过程中的管理，降低了系统设计的复杂度和成本，提高了系统的可靠性和可维护性。

（五）支持多节点通信和扩展性

在大型工业控制系统中，通常需要连接多个传感器、执行器和控制器。ASM1042 支持多节点通信，能够构建大规模的 CANFD 网络，实现设备之间的高效协同工作。例如，在智能工厂的物流自动化系统中，通过构建基于 ASM1042 的 CANFD 网络，可以连接众多的 AGV（Automated Guided Vehicle）、货架传感器、仓库管理系统等设备，实现货物的自动搬运、存储和调度，提高物流效率和准确性。同时，其良好的扩展性允许在不影响现有系统运行的情况下，方便地添加新的设备和功能模块，满足工业控制系统不断发展的需求。

六、试验和测试

（一）单粒子效应试验

在单粒子效应脉冲激光试验中，ASM1042A 型芯片在 5V 工作条件下，经受了从 120pJ（对应 LET 值为（5±1.25）MeV·cm²/mg）起始的激光能量扫描，直至 3050pJ（对应 LET 值为（100±25）MeV·cm²/mg），未出现单粒子效应。这表明该芯片在高能粒子辐射环境下具有良好的抗单粒子效应能力，对于在航空航天、卫星通信等高辐射环境中的工业控制应用具有重要意义，确保了系统在太空辐射或高能粒子加速器周边等特殊环境下的可靠运行。

（二）功能安全和可靠性测试

企业宇航级ASM1042S在 SEU（Single Event Upset）方面具有≥75Mev·cm²/mg 或 10⁻⁵次/器件·天的性能指标，在 SEL（Single Event Latch-up）方面同样达到≥75Mev·cm²/mg 。这些指标体现了芯片在面对单粒子事件时的高可靠性和稳定性，为工业控制系统在严苛环境下的长期稳定运行提供了保障。

（三）电气性能测试

在对称性测试中，ASM1042 的各项电气参数均满足设计要求和行业标准。例如，显性输出电压（VO(DOM)）在不同负载条件下稳定在规定范围内，输出对称性（VSYM）和直流输出对称性（VSYM_DC）也表现出良好的性能，确保了数据传输的准确性和一致性。低功耗唤醒测试显示，芯片的唤醒时间过滤时间为 1.33us，能够在短时间内快速响应唤醒信号，从待机模式切换到正常工作模式，实现数据采集和测量的及时启动，提高了系统的能源利用效率和实时性。

（四）环境适应性测试

高低温测试结果表明，ASM1042 芯片在常温、125℃高温和 -55℃低温条件下，传输速率在 4kps 至 10Mbps 范围内均能正常工作，发送和接收功能稳定可靠，无任何异常现象。这验证了芯片在宽温度范围内的适应性，满足了工业控制中不同环境温度下的应用需求。总线高压输入测试进一步证明了芯片在面对总线电压异常时的保护能力和稳定运行性能，所有测试输入输出组合均通过测试，显示出良好的抗干扰和故障保护特性。

（五）多节点通信测试

在 25 节点多节点通信测试中，ASM1042 芯片在 CANFD 协议下，以仲裁域 1Mbps（80%）和数据域 5Mbps（75%）的波特率，成功完成了 120000 帧的数据发送和接收，且无任何错误帧出现。这一测试结果充分展示了芯片在大规模网络通信中的效率和可靠性，证明其能够支持复杂工业控制系统中多个设备之间的高效数据交互，为构建智能化、集成化的工业控制网络提供了坚实的技术基础。

七、应用分析

（一）智能工厂自动化生产

在汽车零部件制造智能工厂中，采用基于 ASM1042 芯片的 CANFD 通信网络，可连接了分布在生产线上的数百个传感器、控制器和机器人。通过该网络，可实现对生产线各个环节的实时数据采集和精确控制。例如，在发动机缸体加工生产线上，安装在机床、刀具和工件上的传感器通过 ASM1042 芯片将加工过程中的振动、切削力、温度等数据实时传输至工控机。工控机根据这些数据进行分析和处理，及时调整加工参数，优化切削速度、进给量等，提高了生产效率和加工精度，降低了刀具磨损和废品率。同时，基于 CANFD 网络的多节点通信能力，可实现不同工位之间的协同作业，如自动上下料机器人与加工机床之间的无缝对接，减少了生产等待时间和物流搬运成本，提升了整个工厂的自动化水平和生产效益。

（二）工业机器人集群控制

在工业机器人集群应用中，如电子制造行业的多机器人协同装配生产线，ASM1042 芯片为机器人之间的高速、可靠通信提供了支持。每个机器人都配备有 ASM1042 芯片作为通信接口，通过 CANFD 网络与其他机器人和中央控制系统进行数据交换。在装配过程中，机器人需要实时共享位置、姿态、抓取力等信息，以实现精准的零部件装配和协作动作。ASM1042 的高速数据传输能力和低延迟特性确保了机器人之间信息的及时传递，使得机器人能够快速响应彼此的动作和指令，提高了装配效率和准确性。此外，芯片的高 EMC 性能和多种保护机制保障了在电子制造车间复杂的电磁环境和频繁的机械运动振动下的稳定运行，减少了因通信故障导致的生产中断，提高了生产线的稼动率。

（三）能源管理系统中的数据采集

在工业能源管理领域，对工厂内的各类能源设备（如变压器、电机、照明系统等）进行实时数据采集和监控是实现能源优化的关键。ASM1042 CANFD 芯片可被应用于能源管理系统的数据采集终端，连接各类能源监测仪表和传感器。这些终端设备分布在工厂的各个区域，通过 CANFD 网络将能源消耗数据、设备运行状态、电能质量参数等实时传输至工控机。工控机对采集到的数据进行分析和处理，生成能源报表，识别能源浪费环节，并制定相应的节能措施。ASM1042 的低功耗特性和待机模式使得数据采集终端能够在长时间无人值守的情况下稳定运行，降低能源消耗。同时，其宽电压范围和多种保护机制适应了不同能源设备的供电环境和运行条件，确保了数据采集的连续性和准确性，为工厂的能源管理提供了有力的技术支持，实现了节能减排和成本控制的目标。

（四）远程监测与预测性维护

在风电场的风力发电机监测系统中，安装在风力发电机上的各种传感器（如振动传感器、温度传感器、转速传感器等）可通过 ASM1042 芯片与现场的工控机相连。这些传感器实时采集风力发电机的运行数据，并通过 CANFD 网络传输至工控机。工控机对数据进行初步处理后，再通过远程通信模块将数据传输至云端服务器。在云端，利用大数据分析和机器学习算法对风力发电机的运行状态进行评估，预测潜在故障，提前安排维护计划，减少突发故障导致的停机时间和维修成本。ASM1042 芯片的高可靠性和稳定性确保了在野外恶劣环境下的长期稳定运行，其高速数据传输能力保证了监测数据的实时性和准确性，为风力发电机的智能化运维提供了坚实的技术基础。

（五）过程控制中的精确测量与反馈

在化工过程控制中，精确的测量和及时的反馈控制是确保产品质量和生产安全的关键。ASM1042 芯片可被广泛应用于化工过程中的各种测量设备（如流量计、液位计、压力变送器等）与工控机之间的通信。例如，在化工企业的聚合反应釜控制系统中，安装在反应釜上的多种传感器通过 ASM1042 芯片将实时测量的温度、压力、物料流量等数据传输至工控机。工控机根据这些数据运行先进的过程控制算法，精确调节反应釜的加热功率、搅拌速度、物料进料量等参数，确保反应过程在最佳工况下运行。ASM1042 芯片的高抗干扰能力和宽温度适应性使其能够在化工车间复杂的电磁环境和高温高湿条件下稳定工作，保障了过程控制系统的可靠性和精确性，提高了化工产品的质量和生产安全性。

八、未来发展趋势与挑战

（一）更高数据传输速率和带宽需求

随着工业物联网的深入发展和工业 4.0 战略的推进，工业控制系统中产生的数据量呈爆炸式增长。未来，对于 CANFD 芯片的数据传输速率和带宽要求将不断提高，有望向 10Mbps 甚至更高的速率发展。这将促使芯片制造商进一步优化芯片设计，提升信号处理能力和抗干扰性能，以满足大数据时代工业控制对实时数据传输的需求。

（二）与其他通信技术的融合

在工业控制领域，多种通信技术并存且相互补充。CANFD 芯片将与其他通信技术（如以太网、5G、LoRa 等）进行深度融合，构建异构通信网络。例如，在智能工厂中，CANFD 可用于连接现场设备和控制器，实现车间级别的实时控制；而以太网和 5G 则用于工厂内部的骨干网络和远程监控，将车间数据传输至企业级服务器和云端平台。这种融合通信架构将充分发挥各通信技术的优势，实现信息在不同层次和范围的高效流通，推动工业互联网的全面普及。

（三）功能安全和信息安全的强化

随着工业控制系统与外部网络的连接日益紧密，功能安全和信息安全问题日益突出。未来 CANFD 芯片将在功能安全设计方面进一步强化，如增加冗余通信机制、故障诊断和容错能力等，以确保系统在出现故障时能够安全地进入预定状态，避免对人员、设备和环境造成危害。同时，面对网络攻击和数据泄露的风险，芯片制造商将加强信息安全防护技术的研发，如数据加密、身份认证、访问控制等，保障工业控制系统的数据安全和运行安全。

（四）小型化和集成化发展

在工业控制设备不断追求小型化和高性能化的趋势下，CANFD 芯片也将朝着小型化和集成化方向发展。芯片制造商将采用更先进的半导体制造工艺，减小芯片尺寸，降低功耗，同时集成更多的功能模块（如模拟数字转换器、微处理器等），提高芯片的集成度和系统级性能。这将有助于降低工业控制设备的体积和成本，提高设备的可靠性和易用性，拓宽 CANFD 芯片在工业控制领域的应用范围。

（五）人工智能与机器学习的应用

人工智能（AI）和机器学习（ML）技术在工业控制中的应用逐渐兴起，为 CANFD 芯片的发展带来了新的机遇和挑战。一方面，AI 和 ML 算法需要大量的实时数据支持，这将进一步推动 CANFD 芯片在数据采集和传输方面的性能提升；另一方面，CANFD 芯片也有望集成 AI 和 ML 技术，实现芯片级的智能数据处理和分析，如实时故障诊断、预测性维护等。例如，通过在 CANFD 芯片中嵌入机器学习算法，对采集到的设备运行数据进行实时分析，提前预测设备故障，及时安排维修保养，减少突发故障对生产的影响，提高设备的利用率和生产效益。