車載網絡技術革新-CAN FD淺析

　　隨著電子、半導體、通訊等行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子智能化的訴求也越來越強，消費者希望駕駛動力性、舒適性、經濟性以及娛樂性更強的汽車。汽車制造商為了提高產品競爭力，將越來越多的電子控制系統(tǒng)加入到汽車控制中，例如ESP（Electronic Stability Program，電子穩(wěn)定程序）、PEPS（Passive Entry Passive Start無鑰匙進入和啟動系統(tǒng)）等。但是由于CAN總線的最高傳輸速率為1Mbit/s（通常汽車CAN系統(tǒng)的實際使用速率最高為500kbit/s），ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）的大量增加使總線負載率急劇增大以致造成網絡擁堵，影響信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。
　　不同的汽車，根據其級別、類型和配置的不同，ECU的數(shù)量和網絡拓撲都不盡相同。圖1所示的網絡拓撲為經濟型轎車中常見的網絡拓撲，因為所有的ECU都在同一個CAN網段上，其總線負載率可能高達50～60%，而一般情況下，CAN總線負載率在30%左右時網絡系統(tǒng)的性能相對較好，否則會增大報文延遲、降低系統(tǒng)的擴展性，尤其對于實時性要求較高的安全系統(tǒng)，高負載率甚至可能影響汽車行車安全；另一方面，CAN總線的位填充規(guī)則會對CRC(Cyclical Redundancy Check)造成干擾，引起錯誤幀漏檢，使信息傳輸?shù)目煽啃赃_不到預期的設計要求，因此CAN總線將不能滿足日益增長的汽車網絡需求。

　　圖1汽車CAN總線網絡拓撲

　　為解決帶寬與可靠性的需求，有人提出在汽車網絡中使用新的總線協(xié)議替代CAN總線，例如安全系統(tǒng)中使用FlexRay總線、娛樂系統(tǒng)中使用MOST總線，但需要重新開發(fā)控制器軟硬件、重新設計車載網絡系統(tǒng)等，這無疑會增加汽車制造商的開發(fā)成本，降低其市場競爭力，因此在目前車載網絡系統(tǒng)的基礎上對CAN總線進行改進顯得尤其迫切。
　　2011年Bosch發(fā)布了CAN替代總線--CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate) 1.1版。CAN FD比CAN總線的帶寬更高，具有與CAN總線相似的控制器接口，這種相似性使ECU供應商不需要對ECU的軟件部分做大規(guī)模修改，降低了開發(fā)難度和成本。CAN FD是CAN總線的升級換代設計，它繼承了CAN總線的主要特性，提高了CAN總線的網絡通信帶寬，改善了錯誤幀漏檢率，同時可以保持網絡系統(tǒng)大部分軟硬件特別是物理層不變。CAN FD協(xié)議充分利用CAN總線的保留位進行判斷以及區(qū)分不同的幀格式[1]。在現(xiàn)有車載網絡中應用CAN FD協(xié)議時，需要加入CAN FD控制器，但是CAN FD也可以參與到原來的CAN通信網絡中，提高了網絡系統(tǒng)的兼容性。
　　2.CAN FD介紹
　　引入CAN FD協(xié)議，對當前CAN網絡系統(tǒng)物理層的改動較小，但是可以明顯提高數(shù)據的串行通信速率， CAN FD與文獻【2】中提到的方法近似，即通過改變幀的格式增加總線帶寬：一種方式為加長數(shù)據場長度減少報文數(shù)量降低總線負載率；另一種方式為縮短位時間提高位速率。
　　CAN FD在數(shù)據幀內部采用兩種不同的位速率，即在仲裁段（Arbitration-Phase）采用標準CAN位速率通信，在數(shù)據段（Data-Phase）采用高速率通信。
　　2.1CAN FD的幀格式

　　(a)標準幀格式

　　(b)擴展幀格式

　　數(shù)據場數(shù)據字節(jié)小于16時CRC為17位

　　圖2 CAN FD數(shù)據幀格式

　　對比CAN總線幀格式，CAN FD幀增加或改變了一些位的功能，包括：
　　◆EDL(Extended Data Length)擴展數(shù)據長度，在標準的CAN幀中，控制場包含的保留位被指定為顯性位發(fā)送，但是在CAN FD幀中，如圖2(a)標準幀IDE位之后的保留位或者圖2(b)擴展幀中RTR位之后的保留位被定義為EDL并以隱性位發(fā)送，EDL主要用于區(qū)分標準CAN幀格式和CAN FD的幀格式。由于在CAN FD中EDL總是以隱形位發(fā)送，后面的位r0為顯性位，因此可在BRS(Bit Rate Switch)位速率開關位之前提供一個重同步沿，這個沿也可用于在收發(fā)器延遲補償中測量收發(fā)器的延遲；
　　◆r1，r0，保留位并以顯性位發(fā)送，在CAN FD中接收節(jié)點忽略r1和r0位的值；
　　◆BRS(Bit Rate Switch)位速率轉換開關，當BRS為顯性位時數(shù)據段的位速率與仲裁段的位速率一致，當BRS為隱性位時數(shù)據段的位速率高于仲裁段的位速率；
　　◆ESI(Error State Indicator)錯誤狀態(tài)指示，主動錯誤時發(fā)送顯性位，被動錯誤時發(fā)送隱性位。
　　CAN FD協(xié)議中沒有遠程幀，標準CAN幀中的RTR位由保留位r1（顯性位）替代，因此可將CAN遠程幀用于CAN FD系統(tǒng)中。
　　CAN FD一幀最多可以傳輸64個字節(jié)，因此DLC將重新定義CAN FD的數(shù)據長度，值的范圍將由原來的0000b~1000b（覆蓋8個字節(jié)）擴大至0000b~1111b以滿足需求，表1所示為DLC數(shù)值與字節(jié)數(shù)的對應關系。

　　表1 DLC值與字節(jié)數(shù)對應表

　　2.2CRC算法
　　CAN總線通常進行位填充以保持同步，但是位填充會干擾CRC的計算，從而造成錯誤漏檢率達不到設計目標。因為有兩種位錯誤在個別的情況下檢測不出來，一種位錯誤產生位填充條件，另外一種位錯誤失去位填充條件，這兩種位錯誤都會改變幀位。CAN FD為了避免這種錯誤，對CRC算法做了改進：將填充位納入到CRC計算中，即CRC以含填充位的位流進行計算，以一個填充位開始并且序列每4位插入一個填充位加以分割，且填充位的值是上一位的反碼。作為格式檢查，如果填充位不是上一位的反碼，就報錯處理。