摘要： 隨著工業自動化的不斷發展，工控機在數據采集和測量方面的應用日益廣泛。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）芯片作為一種高性能的通信接口芯片，在工控機系統中扮演著關鍵角色。本文綜合分析了 CANFD 芯片的技術特點、性能表現以及在工控機數據采集和測量中的應用優勢，通過對其在實際工況下的測試數據和試驗結果的深入探討，闡述了其在提升工控機系統可靠性、實時性和效率方面的顯著作用，為工業控制領域提供了有價值的參考和技術支持。

一、引言

在現代工業控制系統中，數據采集與測量是實現自動化控制和監測的基礎環節。工控機作為工業控制的核心設備，需要高效、可靠的通信接口來確保數據的準確傳輸和及時處理。CANFD 作為一種先進的通信協議，其對應的芯片技術也在不斷進步。廈門國科安芯科技有限公司推出的 ASM1042 系列 CANFD 通信接口芯片，以其卓越的性能和廣泛的應用前景，成為工業控制領域關注的焦點。本文旨在深入分析 CANFD 芯片在工控機數據采集和測量中的應用，探討其技術優勢和實際效益。

二、工業控制對數據采集和測量的要求

工業控制涉及多種復雜環境和高精度操作，因此對數據采集和測量系統提出了嚴格要求。首先，實時性至關重要，系統必須能夠在極短時間內采集和傳輸數據，以支持實時控制決策。其次，高精度和可靠性是確保生產質量和設備安全的關鍵，尤其是在涉及精密制造、化工過程控制等場景中。此外，工業環境中的電磁干擾、高低溫變化等惡劣條件對通信接口的穩定性構成了挑戰，通信接口芯片需要具備強大的抗干擾能力和環境適應性。最后，隨著工業物聯網的發展，海量數據的高效處理和傳輸需求日益增長，這對通信芯片的帶寬和數據處理能力提出了更高要求。

三、CANFD 技術概述

（一）傳統 CAN 總線的局限性

傳統 CAN（Controller Area Network）總線在工業控制領域應用廣泛，但隨著工業自動化系統復雜度的提升和數據量的增加，其數據傳輸速率和帶寬限制逐漸顯現。傳統 CAN 總線的最高波特率通常為 1Mbps，在高數據量傳輸場景下容易出現瓶頸，導致系統實時性下降。

（二）CANFD 協議的改進

CANFD 協議在傳統 CAN 基礎上進行了擴展和優化，顯著提高了數據傳輸速率和效率。CANFD 支持靈活的數據傳輸速率，在仲裁階段仍保持傳統 CAN 的 1Mbps 速率，而在數據階段可提升至最高 8Mbps，極大增加了數據吞吐量。同時，CANFD 增加了數據幀長度，從傳統 CAN 的 8 字節擴展至最多 64 字節，減少了傳輸相同數據量所需的數據幀數量，降低了總線負載率，提升了傳輸效率。

**四、CANFD 芯片****ASM1042 **的性能特點

（一）高速數據傳輸能力

國科安芯推出的ASM1042 芯片支持高達 5Mbps 的數據速率，滿足工業控制中對快速數據傳輸的需求。其較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數，有效增加了時序裕量，確保在高波特率下數據傳輸的穩定性和可靠性，提高了工控機系統在實時數據采集和測量中的響應速度。

（二）高 EMC 性能

電磁兼容性（EMC）對于工業環境中的通信芯片至關重要。ASM1042 符合 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標準，在最高 500kbps 的數據速率下無需共模扼流圈即可正常工作，降低了系統設計復雜度和成本。這一特性使其在電磁干擾較強的工業現場中能夠穩定運行，減少因電磁干擾導致的數據傳輸錯誤和系統故障。

（三）寬電壓范圍和多種保護機制

ASM1042 支持 3.3V 和 5V 的 I/O 電壓范圍，與不同類型的 MCU具有良好的兼容性，方便在不同工業控制系統的集成應用。其保護特性豐富，包括±15kV 的 IEC ESD 保護、±70V的總線故障保護、VCC 和 VIO（僅限 V 型號）電源終端的欠壓保護、驅動器顯性超時保護（TXD DTO）以及熱關斷保護（TSD）等。這些保護機制有效提升了芯片在復雜工業環境中的生存能力和可靠性，降低了因外部電壓異常、靜電放電等引起的芯片損壞風險，減少了系統的維護成本和停機時間。

（四）低功耗和待機模式

在工業控制中，能源效率和設備的長期穩定性受到關注。ASM1042 具備低功耗待機模式及遠程喚醒請求特性，當處于待機模式時，可顯著降低功耗，延長系統在有限能源供應下的運行時間，同時保持對喚醒信號的響應能力，實現快速啟動和數據采集，適用于電池供電或能源受限的工業應用場景，如遠程監測設備、移動機器人等。

（五）高可靠性設計

ASM1042 的設計和制造遵循高標準的可靠性要求。芯片通過 AEC-Q100 Grade1 認證，確保其在廣泛的溫度范圍（-40℃至 125℃）內穩定工作，滿足工業控制中對設備在惡劣環境下的運行期望。其內部電路采用多種保護措施和冗余設計，提高了系統的容錯能力和抗干擾能力，降低了因芯片故障導致的生產中斷風險，保障了工業生產過程的連續性和穩定性。

五、ASM1042 CANFD 芯片在工控機數據采集和測量中的應用優勢

（一）提升系統實時性

在工業自動化生產線中，如機器人焊接、裝配等需要高精度實時控制的場景，ASM1042 的高速數據傳輸能力能夠確保傳感器采集到的位置、速度、溫度等數據及時傳輸至工控機，使控制系統能夠快速做出調整和決策，提高生產效率和產品質量。例如，在汽車制造的自動化噴漆車間，基于 ASM1042 的數據采集系統能夠實時監測噴漆機器人的運動狀態和漆料流量，及時反饋并調整噴漆參數，保證噴漆的均勻性和一致性，減少次品率。

（二）增強系統抗干擾能力

工業現場存在大量的電機、變頻器、焊接設備等，這些設備運行時會產生強烈的電磁干擾。ASM1042 出色的 EMC 性能使其能夠在這樣的電磁環境中穩定工作，確保數據傳輸的完整性。例如，在鋼鐵廠的自動化控制系統中，安裝在軋鋼機附近的傳感器可通過 ASM1042 芯片與工控機相連，即使在軋鋼機產生的強電磁干擾下，仍能準確傳輸軋鋼過程中的壓力、溫度、厚度等關鍵數據，為生產過程的優化和質量控制提供可靠依據。

（三）適應復雜工業環境

工業環境溫度變化大，從寒冷的露天煤礦到高溫的玻璃熔窯車間，設備都需要穩定運行。ASM1042 的寬溫度范圍適應性和多種保護機制使其能夠在這些極端環境下長期工作。以化工生產中的反應釜溫度監測系統為例，安裝在反應釜內的溫度傳感器通過 ASM1042 芯片連接到工控機，即使在反應釜內部高溫、強腐蝕性氣體等惡劣條件下，芯片仍能正常工作，實時監測溫度變化，防止因溫度失控導致的化學反應異常和安全事故。

（四）簡化系統設計和集成

ASM1042 的寬電壓范圍和與多種 MCU 的兼容性，為工業控制系統的設計和集成提供了便利。工程師可以根據實際需求選擇不同類型的 MCU，而無需擔心通信接口的匹配問題。此外，其在未供電時的理想無源行為，即總線和邏輯引腳處于高阻態，不會對其他設備造成干擾，簡化了系統上電和斷電過程中的管理，降低了系統設計的復雜度和成本，提高了系統的可靠性和可維護性。

（五）支持多節點通信和擴展性

在大型工業控制系統中，通常需要連接多個傳感器、執行器和控制器。ASM1042 支持多節點通信，能夠構建大規模的 CANFD 網絡，實現設備之間的高效協同工作。例如，在智能工廠的物流自動化系統中，通過構建基于 ASM1042 的 CANFD 網絡，可以連接眾多的 AGV（Automated Guided Vehicle）、貨架傳感器、倉庫管理系統等設備，實現貨物的自動搬運、存儲和調度，提高物流效率和準確性。同時，其良好的擴展性允許在不影響現有系統運行的情況下，方便地添加新的設備和功能模塊，滿足工業控制系統不斷發展的需求。

六、試驗和測試

（一）單粒子效應試驗

在單粒子效應脈沖激光試驗中，ASM1042A 型芯片在 5V 工作條件下，經受了從 120pJ（對應 LET 值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）起始的激光能量掃描，直至 3050pJ（對應 LET 值為（100±25）MeV·cm2/mg），未出現單粒子效應。這表明該芯片在高能粒子輻射環境下具有良好的抗單粒子效應能力，對于在航空航天、衛星通信等高輻射環境中的工業控制應用具有重要意義，確保了系統在太空輻射或高能粒子加速器周邊等特殊環境下的可靠運行。

（二）功能安全和可靠性測試

企業宇航級ASM1042S在 SEU（Single Event Upset）方面具有≥75Mev·cm2/mg 或 10??次/器件·天的性能指標，在 SEL（Single Event Latch-up）方面同樣達到≥75Mev·cm2/mg 。這些指標體現了芯片在面對單粒子事件時的高可靠性和穩定性，為工業控制系統在嚴苛環境下的長期穩定運行提供了保障。

（三）電氣性能測試

在對稱性測試中，ASM1042 的各項電氣參數均滿足設計要求和行業標準。例如，顯性輸出電壓（VO(DOM)）在不同負載條件下穩定在規定范圍內，輸出對稱性（VSYM）和直流輸出對稱性（VSYM_DC）也表現出良好的性能，確保了數據傳輸的準確性和一致性。低功耗喚醒測試顯示，芯片的喚醒時間過濾時間為 1.33us，能夠在短時間內快速響應喚醒信號，從待機模式切換到正常工作模式，實現數據采集和測量的及時啟動，提高了系統的能源利用效率和實時性。

（四）環境適應性測試

高低溫測試結果表明，ASM1042 芯片在常溫、125℃高溫和 -55℃低溫條件下，傳輸速率在 4kps 至 10Mbps 范圍內均能正常工作，發送和接收功能穩定可靠，無任何異常現象。這驗證了芯片在寬溫度范圍內的適應性，滿足了工業控制中不同環境溫度下的應用需求。總線高壓輸入測試進一步證明了芯片在面對總線電壓異常時的保護能力和穩定運行性能，所有測試輸入輸出組合均通過測試，顯示出良好的抗干擾和故障保護特性。

（五）多節點通信測試

在 25 節點多節點通信測試中，ASM1042 芯片在 CANFD 協議下，以仲裁域 1Mbps（80%）和數據域 5Mbps（75%）的波特率，成功完成了 120000 幀的數據發送和接收，且無任何錯誤幀出現。這一測試結果充分展示了芯片在大規模網絡通信中的效率和可靠性，證明其能夠支持復雜工業控制系統中多個設備之間的高效數據交互，為構建智能化、集成化的工業控制網絡提供了堅實的技術基礎。

七、應用分析

（一）智能工廠自動化生產

在汽車零部件制造智能工廠中，采用基于 ASM1042 芯片的 CANFD 通信網絡，可連接了分布在生產線上的數百個傳感器、控制器和機器人。通過該網絡，可實現對生產線各個環節的實時數據采集和精確控制。例如，在發動機缸體加工生產線上，安裝在機床、刀具和工件上的傳感器通過 ASM1042 芯片將加工過程中的振動、切削力、溫度等數據實時傳輸至工控機。工控機根據這些數據進行分析和處理，及時調整加工參數，優化切削速度、進給量等，提高了生產效率和加工精度，降低了刀具磨損和廢品率。同時，基于 CANFD 網絡的多節點通信能力，可實現不同工位之間的協同作業，如自動上下料機器人與加工機床之間的無縫對接，減少了生產等待時間和物流搬運成本，提升了整個工廠的自動化水平和生產效益。

（二）工業機器人集群控制

在工業機器人集群應用中，如電子制造行業的多機器人協同裝配生產線，ASM1042 芯片為機器人之間的高速、可靠通信提供了支持。每個機器人都配備有 ASM1042 芯片作為通信接口，通過 CANFD 網絡與其他機器人和中央控制系統進行數據交換。在裝配過程中，機器人需要實時共享位置、姿態、抓取力等信息，以實現精準的零部件裝配和協作動作。ASM1042 的高速數據傳輸能力和低延遲特性確保了機器人之間信息的及時傳遞，使得機器人能夠快速響應彼此的動作和指令，提高了裝配效率和準確性。此外，芯片的高 EMC 性能和多種保護機制保障了在電子制造車間復雜的電磁環境和頻繁的機械運動振動下的穩定運行，減少了因通信故障導致的生產中斷，提高了生產線的稼動率。

（三）能源管理系統中的數據采集

在工業能源管理領域，對工廠內的各類能源設備（如變壓器、電機、照明系統等）進行實時數據采集和監控是實現能源優化的關鍵。ASM1042 CANFD 芯片可被應用于能源管理系統的數據采集終端，連接各類能源監測儀表和傳感器。這些終端設備分布在工廠的各個區域，通過 CANFD 網絡將能源消耗數據、設備運行狀態、電能質量參數等實時傳輸至工控機。工控機對采集到的數據進行分析和處理，生成能源報表，識別能源浪費環節，并制定相應的節能措施。ASM1042 的低功耗特性和待機模式使得數據采集終端能夠在長時間無人值守的情況下穩定運行，降低能源消耗。同時，其寬電壓范圍和多種保護機制適應了不同能源設備的供電環境和運行條件，確保了數據采集的連續性和準確性，為工廠的能源管理提供了有力的技術支持，實現了節能減排和成本控制的目標。

（四）遠程監測與預測性維護

在風電場的風力發電機監測系統中，安裝在風力發電機上的各種傳感器（如振動傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器等）可通過 ASM1042 芯片與現場的工控機相連。這些傳感器實時采集風力發電機的運行數據，并通過 CANFD 網絡傳輸至工控機。工控機對數據進行初步處理后，再通過遠程通信模塊將數據傳輸至云端服務器。在云端，利用大數據分析和機器學習算法對風力發電機的運行狀態進行評估，預測潛在故障，提前安排維護計劃，減少突發故障導致的停機時間和維修成本。ASM1042 芯片的高可靠性和穩定性確保了在野外惡劣環境下的長期穩定運行，其高速數據傳輸能力保證了監測數據的實時性和準確性，為風力發電機的智能化運維提供了堅實的技術基礎。

（五）過程控制中的精確測量與反饋

在化工過程控制中，精確的測量和及時的反饋控制是確保產品質量和生產安全的關鍵。ASM1042 芯片可被廣泛應用于化工過程中的各種測量設備（如流量計、液位計、壓力變送器等）與工控機之間的通信。例如，在化工企業的聚合反應釜控制系統中，安裝在反應釜上的多種傳感器通過 ASM1042 芯片將實時測量的溫度、壓力、物料流量等數據傳輸至工控機。工控機根據這些數據運行先進的過程控制算法，精確調節反應釜的加熱功率、攪拌速度、物料進料量等參數，確保反應過程在最佳工況下運行。ASM1042 芯片的高抗干擾能力和寬溫度適應性使其能夠在化工車間復雜的電磁環境和高溫高濕條件下穩定工作，保障了過程控制系統的可靠性和精確性，提高了化工產品的質量和生產安全性。

八、未來發展趨勢與挑戰

（一）更高數據傳輸速率和帶寬需求

隨著工業物聯網的深入發展和工業 4.0 戰略的推進，工業控制系統中產生的數據量呈爆炸式增長。未來，對于 CANFD 芯片的數據傳輸速率和帶寬要求將不斷提高，有望向 10Mbps 甚至更高的速率發展。這將促使芯片制造商進一步優化芯片設計，提升信號處理能力和抗干擾性能，以滿足大數據時代工業控制對實時數據傳輸的需求。

（二）與其他通信技術的融合

在工業控制領域，多種通信技術并存且相互補充。CANFD 芯片將與其他通信技術（如以太網、5G、LoRa 等）進行深度融合，構建異構通信網絡。例如，在智能工廠中，CANFD 可用于連接現場設備和控制器，實現車間級別的實時控制；而以太網和 5G 則用于工廠內部的骨干網絡和遠程監控，將車間數據傳輸至企業級服務器和云端平臺。這種融合通信架構將充分發揮各通信技術的優勢，實現信息在不同層次和范圍的高效流通，推動工業互聯網的全面普及。

（三）功能安全和信息安全的強化

隨著工業控制系統與外部網絡的連接日益緊密，功能安全和信息安全問題日益突出。未來 CANFD 芯片將在功能安全設計方面進一步強化，如增加冗余通信機制、故障診斷和容錯能力等，以確保系統在出現故障時能夠安全地進入預定狀態，避免對人員、設備和環境造成危害。同時，面對網絡攻擊和數據泄露的風險，芯片制造商將加強信息安全防護技術的研發，如數據加密、身份認證、訪問控制等，保障工業控制系統的數據安全和運行安全。

（四）小型化和集成化發展

在工業控制設備不斷追求小型化和高性能化的趨勢下，CANFD 芯片也將朝著小型化和集成化方向發展。芯片制造商將采用更先進的半導體制造工藝，減小芯片尺寸，降低功耗，同時集成更多的功能模塊（如模擬數字轉換器、微處理器等），提高芯片的集成度和系統級性能。這將有助于降低工業控制設備的體積和成本，提高設備的可靠性和易用性，拓寬 CANFD 芯片在工業控制領域的應用范圍。

（五）人工智能與機器學習的應用

人工智能（AI）和機器學習（ML）技術在工業控制中的應用逐漸興起，為 CANFD 芯片的發展帶來了新的機遇和挑戰。一方面，AI 和 ML 算法需要大量的實時數據支持，這將進一步推動 CANFD 芯片在數據采集和傳輸方面的性能提升；另一方面，CANFD 芯片也有望集成 AI 和 ML 技術，實現芯片級的智能數據處理和分析，如實時故障診斷、預測性維護等。例如，通過在 CANFD 芯片中嵌入機器學習算法，對采集到的設備運行數據進行實時分析，提前預測設備故障，及時安排維修保養，減少突發故障對生產的影響，提高設備的利用率和生產效益。

審核編輯 黃宇