CAN-FD總線協(xié)議及其車載網(wǎng)絡應用簡介

CAN及CAN-FD背景介紹

自1986年博世（Bosch）首次在SAE國際大會上展示CAN（Controller Area Network，控制器域網(wǎng)絡）通信方案以來，這種高速、可靠、易用的通信總線就一直被汽車產(chǎn)業(yè)所關注，并得到了絕大多數(shù)整車廠和零部件廠的支持。經(jīng)過了20多年的發(fā)展與沉淀，CAN通信目前已經(jīng)成為車載網(wǎng)絡領域最成熟、應用最廣泛的通信總線之一（CAN的發(fā)展歷程如圖1所示）。

圖1 CAN通信方案的發(fā)展歷程

CAN總線通信的一些關鍵特性使其非常適合車載網(wǎng)絡應用：

• （1）差分信號可靠性高，抗干擾能力強，且通信介質(zhì)選擇靈活（雙絞線、同軸電纜或光纖）；

• （2）通信速率最高可達1 Mbit/s（此時距離最長40 m）；

• （3）采用多主通信模式，當總線空閑時，任意節(jié)點均可以主動向網(wǎng)絡其他節(jié)點發(fā)送信息；

• （4）支持節(jié)點優(yōu)先級設定，并采用非破壞性逐位仲裁規(guī)則解決潛在數(shù)據(jù)發(fā)送沖突；

• （5）信息以廣播式發(fā)送，所有節(jié)點都能接收到信息，保證網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)一致性；

• （6）支持完善的錯誤界定和處理機制，出錯節(jié)點具有自動關閉退出總線的功能。

隨著人們對汽車的智能化要求越來越高，汽車上裝配的電子控制單元也越來越多，CAN總線通信也漸漸顯現(xiàn)出來一些不足：

• （1）最高數(shù)據(jù)傳輸速率限制為1 Mbit/s，車載領域?qū)嶋H使用速率最高為500 Kbit/s，無法滿足越來越高的數(shù)據(jù)吞吐量需求；

• （2）每幀報文有效數(shù)據(jù)場為8字節(jié)，僅占整幀報文信息不足50%；

• （3）性能上難以應對Flexray、Ethernet等新型車載總線的威脅。

市場對提升CAN總線性能的強烈需求使CAN-FD （Flexible Data rate）應運而生，CAN-FD發(fā)揚了CAN的優(yōu)點，并彌補了CAN的不足，其主要特性如下：

• （1）采用與CAN通信相同的事件觸發(fā)模式，軟件容易開發(fā)和移植；

• （2）最高數(shù)據(jù)傳輸速率達5Mbit/s，更好地滿足要求高實時性、高數(shù)據(jù)傳輸速率的應用；

• （3）每幀報文有效數(shù)據(jù)場為64字節(jié)，占整幀報文信息超過70%；

• （4）相比Flexray、Ethernet等新興總線成本更低。

CAN-FD的技術(shù)特點

CAN-FD通過改變幀結(jié)構(gòu)和提高位速率等方法成功的把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了5Mbit/s，其基本原理如圖2所示。CAN-FD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 CAN-FD傳輸?shù)幕驹?/p>

圖3 CAN-FD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu) (注：圖片來源：Vector)

CAN與CAN-FD總線的區(qū)別：

CAN與CAN-FD總線報文格式對比：

圖4 CAN與CAN-FD總線報文格式對比圖 (注：圖片來源：Vector)

CAN與CAN-FD總線的區(qū)別：

• （1） CAN-FD整個報文幀包含兩種不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，從SOF到BRS（Bit Rate Switch）采用傳統(tǒng)的50Kbps至1Mbps速率傳輸，從BRS到ACK場采用可變傳輸速率，通常為5Mbps；

圖5 CAN-FD數(shù)據(jù)傳輸速率轉(zhuǎn)換 (注：圖片來源：http://www.can-cia.org/de/can-knowledge/can/can-fd/ )

• （2）CAN-FD數(shù)據(jù)場有效字節(jié)數(shù)最高可達64字節(jié)；

• （3）報文幀格式變化：

• • a） CAN-FD取消了RTR（Remote Transmission Request）位，代之以RRS（Remote Request Substitution）位，且RRS位一直為顯性位;

  • b） CAN-FD在控制場增加了以下控制位。FDF（FD Format）或EDL（Extended Data Length）：CAN格式為顯性，CAN-FD格式為隱性；BRS（Bit Rate Switch）：在CAN-FD報文中分隔仲裁場與數(shù)據(jù)場、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸速率為隱性、不轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸速率為顯性；ESI（Error State Indicator）：發(fā)送節(jié)點處于被動錯誤狀態(tài)(Error Passive)為隱性、發(fā)送節(jié)點處于主動錯誤狀態(tài)(Error Active)為顯性。

  • c） CAN-FD采用了新的DLC編碼方式，如下圖所示：

圖6 CAN-FD DLC編碼方式（注：圖片來源：http://www.can-cia.org/de/can-knowledge/can/can-fd/）

d） CAN-FD采用了新的CRC算法：標準CAN：CRC碼為15位

• CAN-FD：數(shù)據(jù)場小于等于16字節(jié)，CRC碼為17位；數(shù)據(jù)場大于16字節(jié)，CRC碼為21位。

CAN與CAN-FD混合網(wǎng)絡的實施：

根據(jù)CAN與CAN-FD網(wǎng)關特性及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不同，標準CAN與CAN-FD混合網(wǎng)絡的實施具有一定復雜性，需要根據(jù)具體情況進行實際論證。通常建議從以下幾個方面為基礎進行考量：

• （1）網(wǎng)絡中存在單個CAN-FD節(jié)點：

CAN-FD節(jié)點的數(shù)據(jù)通信速率需要與網(wǎng)關的通信速率兼容，故采用與標準CAN網(wǎng)關相同的通信速率，通常為500Kbps；

• （2）網(wǎng)絡中存在多個CAN-FD節(jié)點：

采用諸如局部網(wǎng)絡（Partial Network）的分組組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信時局部網(wǎng)絡節(jié)點喚醒，即CAN-FD節(jié)點間通信時，標準CAN節(jié)點不喚醒；

CAN-FD的相關廠商：

（1）CAN-FD的IC廠商

a) MCU/SOC：目前汽車電子領域的各大半導體廠商已經(jīng)量產(chǎn)或正在開發(fā)集成CAN-FD控制器的產(chǎn)品。

詩訊半導體（Spansion）近期發(fā)布的Cortex-R5系列汽車級MCU產(chǎn)品全系列支持CAN-FD總線通信。2014年7月，詩訊半導體正式發(fā)布了集成CAN-FD控制器的ARM Cortex-R5 S6J3310系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品的關鍵特性包括：ARM Cortex-R5高性能32位內(nèi)核，主頻高達144 MHz；最高集成2路CAN-FD通信，每路數(shù)據(jù)傳輸速率達5 Mbit/s；支持SHE（Secure Hardware Extension）加密功能；支持更新的低功耗功能，如部分喚醒等；支持AutoSAR。圖4展示了S6J3110評估板的CAN-FD的技術(shù)特點和幀結(jié)構(gòu)的實測波形。

圖7 S6J3110評估板的CAN-FD的技術(shù)特點和幀結(jié)構(gòu)的實測波形

b) 收發(fā)器：目前NXP為代表的收發(fā)器廠商已經(jīng)有多款支持CAN-FD的產(chǎn)品推出，且部分產(chǎn)品已經(jīng)支持局部網(wǎng)絡（Partial Network）、休眠狀態(tài)總線喚醒等功能。

（2）CAN-FD的設備、工具廠商

在車載應用領域，目前已有多家設備、工具廠商支持CAN-FD總線協(xié)議，如維克多（Vector）、羅德與施瓦茨（R&S）和周立功（ZLG）等。

國外廠商以維克多為代表，其在工具體系的完整性方面更為領先。Vector的工具體系完整的支持CAN-FD的開發(fā)、測試、網(wǎng)絡分析等全部功能。另外，其GL系列總線記錄儀也將在不遠的將來支持CAN-FD協(xié)議。

國內(nèi)廠商以周立功為代表，其最新推出的四通道ZDS2024示波器可以很好的支持CAN-FD協(xié)議，其關鍵特性包括：支持4通道、模擬帶寬高達200MHz、采樣率每通道均為1GSa/s、21種協(xié)議觸發(fā)及解碼、51種參數(shù)測量及24種參數(shù)同時測量統(tǒng)計。

CAN-FD的主要應用領域：

CAN-FD因其繼承了CAN總線得低成本、高可靠性等特點，又進一步提升了其數(shù)據(jù)傳輸性能，未來在以下領域有著很大的發(fā)展空間：

• （1）EOL（End-Of-Line）程序燒寫：CAN數(shù)據(jù)傳輸速率為500 Kbit/s；CAN-FD數(shù)據(jù)傳輸速率為5 Mbit/s，約10倍于CAN傳輸速率。

• （2）動力、底盤和安全系統(tǒng)，以及身份認證：數(shù)據(jù)場支持長達64字節(jié)，避免數(shù)據(jù)非必要的拆分。

• （3）網(wǎng)關：提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率達5 Mbit/s，提高了有效數(shù)據(jù)負載率。

車載電子模塊數(shù)量的不斷增長對車載網(wǎng)絡通信技術(shù)提出了更高的要求，CAN-FD作為一個新興的車載網(wǎng)絡技術(shù)具備低成本、高可靠性、高傳輸速率等優(yōu)點，很有可能會在未來幾年的汽車電子領域大放異彩。

CAN及CAN-FD專業(yè)名詞：

d = dominant

r = recessive

ACK = acknowledgement

CRC = cyclic redundancy check

DLC = Data length code

EDL = Extended Data Length

EOF = End-Of-Frame

ESI = Error State Indicator

FBFF = FD Base Frame Format

FEFF = FD Extended Frame Format

FDF = flexible data rate format

IDE = identifier extension

IMF = intermission field

r0 = reserved

RTR = Remote transmission request

RRS = remote request substitution

SOF = start-of-frame

SRR = substitute remote request

BRS = Bit Rate Switch