車載網(wǎng)絡技術革新-CAN FD淺析
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CAN FD保留了所有的CAN錯誤界定機制，包括錯誤幀、錯誤計數(shù)器、主動錯誤/被動錯誤狀態(tài)等。文獻【3】中提到相對于標準CAN，CAN FD允許更長的數(shù)據(jù)場，因此選擇兩種新BCH型CRC多項式：數(shù)據(jù)場長度小于16個字節(jié)采用g17，數(shù)據(jù)場長度多于16個字節(jié)時采用g21，海明距離HD=6。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/331249.htm
通過幀控制場的EDL位確定幀格式后發(fā)送DLC，并從g17、g21以及標準CAN幀多項式中選擇正確的多項式計算CRC序列。接收節(jié)點也選擇相應的多項式計算CRC序列并決定是否對發(fā)送幀進行應答。
2.3CAN FD位時間轉(zhuǎn)換
CAN FD有兩套位時間配置寄存器，應用于仲裁段的第一套的位時間較長，而應用于數(shù)據(jù)段的第二套位時間較短。首先對BRS位進行采樣，如果顯示隱性位，即在BRS采樣點轉(zhuǎn)換成較短的位時間機制，并在CRC界定符位的采樣點轉(zhuǎn)換回第一套位時間機制。為保證其他節(jié)點同步CAN FD選擇在采樣點進行位時間轉(zhuǎn)換。
2.4收發(fā)器延遲補償
目前應用的CAN收發(fā)器存在回路延遲，延遲時間最高可達255ns。CAN FD協(xié)議中，幀的數(shù)據(jù)段位時間有可能小于255ns，如果當采樣點到來時發(fā)送節(jié)點還沒有收到其發(fā)出的位，發(fā)送節(jié)點就會報錯，因此 CAN FD通過可選擇性的收發(fā)器延遲補償機制避免這種情況發(fā)生。發(fā)送節(jié)點將這種補償機制應用到幀的高速數(shù)據(jù)段，接收節(jié)點不需要收發(fā)器延遲補償。
在收發(fā)器延遲補償機制中，定義一個次級采樣點SSP(Second Sample Point)并在接收位的SSP處比發(fā)送的位值進行比較檢查位錯誤，同時忽略原來采樣點的位值。CAN FD協(xié)議控制器在位速率轉(zhuǎn)換之前的EDL位到r0位的下降沿上測量收發(fā)器的回路延遲Trv_Delay，延遲Trv_Delay通過計數(shù)器測量，起始于CAN_tx的r0下降沿終止于CAN_rx的r0下降沿。
Trv_Delay加上一個可變的偏移量(例如1/2高速位時間)即為SSP的位置。如果SSP發(fā)生在發(fā)送位發(fā)送結(jié)束后，那么將發(fā)送位緩存等待SSP到達再進行位錯誤檢查。如果在SSP處檢測到位錯誤，那么將這個位錯誤的信息緩存，直到下一個采樣點到達時才對位錯誤做處理，此時位速率轉(zhuǎn)換回仲裁段的低速率進行數(shù)據(jù)傳輸。如果直到CRC界定符的采樣點到達都沒有檢測到位錯誤，CAN FD協(xié)議控制器轉(zhuǎn)換位速率并返回到標準位錯誤檢測模式。
2.5硬件支持
在CAN總線基礎上發(fā)展起來的CAN FD協(xié)議，實際應用時需要對原來的CAN網(wǎng)絡物理層做一些改變，對軟件和應用程序的修改較小。一般地要在車載CAN網(wǎng)絡中進行CAN FD通信時，需要添加CAN FD控制器。目前CAN FD控制器還沒有產(chǎn)品問世，Bosch在實驗室中將CAN IP模塊嵌入FPGA中實現(xiàn)了CAN FD控制器的功能，這種方法目前也主要用于仿真驗證和實驗室測試。CAN IP模塊如圖3所示，它由2個CAN FD IP core在FPGA上運行，上層由CPU控制。
圖3 CAN IP Module結(jié)構圖
NXP宣布將在2013年上半年發(fā)布TJA1145 FD收發(fā)器的樣片，這款收發(fā)器支持CAN局部網(wǎng)絡（PN, Partial Networking）并且配置了額外的寄存器可以忽略CAN FD消息，這為CAN FD節(jié)點和傳統(tǒng)的CAN節(jié)點兼容于一個網(wǎng)絡提供了條件，即CAN FD節(jié)點通信時，CAN節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，CAN FD通信結(jié)束后由一個CAN喚醒消息將CAN節(jié)點喚醒。同時NXP宣布將在2013年第三季度發(fā)布SJA1145樣片，這是一款集成片上收發(fā)器的CAN FD協(xié)議控制器，支持64個字節(jié)的傳輸負載和2M的傳輸速率，但是SJA1145需要精確的外部時鐘。Etas和Vector等工具廠商也躍躍欲試，發(fā)布了其支持CAN FD總線通信的工具及其發(fā)展計劃。
3.CAN FD應用意義
CAN FD可以有效提高車載網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且保持現(xiàn)有軟硬件不做大的改變。圖4為Bosch提供的位速率增長曲線，從曲線可以看出當仲裁段的位速率一定時，隨著數(shù)據(jù)段速率的增大數(shù)據(jù)幀的平均位速率是逐漸增大的，隨著幀數(shù)據(jù)場長度的增加平均位速率也是變大的。當仲裁段位速率選定1Mbit/s、數(shù)據(jù)場長度為64個字節(jié)、數(shù)據(jù)段的位速率為8Mbit/s時，CAN FD總線的帶寬可以提高到5 Mbit/s多，這是相當可觀的[4]。
圖4 CAN FD數(shù)據(jù)幀平均位速率
Bosch還提供了一組數(shù)據(jù)：在軟件下載時標準CAN幀速率為500Kbit/s時，傳輸4個8字節(jié)的CAN幀并包括15%的填充位，其在總線上耗時1021μs；而如果傳輸1個32字節(jié)的CAN FD幀并包括15%的填充位其在總線上耗時僅為229μs，節(jié)省了3/4的傳輸時間。同時由于數(shù)據(jù)場的加長，即使長報文也無需分成多包發(fā)送，有利于總線傳輸層管理。
CAN FD顯著提高了車載CAN網(wǎng)絡的帶寬，更長的數(shù)據(jù)場長度可以避免使用多包傳輸。CAN FD的成本與CAN總線基本接近，并且對目前的軟件和應用程序改動較小，CAN FD保留了車載CAN網(wǎng)絡的物理層和拓撲結(jié)構，能夠提供CAN總線網(wǎng)絡的無縫升級，這些優(yōu)越性為CAN FD提供了良好的發(fā)展前景。
4.結(jié)語
CAN FD是一種新協(xié)議，它保持了CAN協(xié)議的核心特征，并且擁有更高的帶寬以及更長的數(shù)據(jù)長度，CAN FD在車載網(wǎng)絡中可以沿用CAN總線的收發(fā)器，隨著技術的發(fā)展也可以采用專用收發(fā)器，當采用CAN總線收發(fā)器時，其傳輸速率期望值為2.5 Mbit/s，相當于低速的FlexRay車載網(wǎng)絡[5]。目前CAN FD還處于引入階段，CAN FD通信可以用于特定用途，例如軟件下載，此時其他不支持CAN FD的節(jié)點就保持睡眠狀態(tài)。采用CAN FD協(xié)議的ECU無需改變應用程序以及CAN物理層便可用于現(xiàn)有網(wǎng)絡系統(tǒng)，CAN網(wǎng)絡向CAN FD網(wǎng)絡過渡是簡單方便而且易于實現(xiàn)的。
參考文獻
[1] Robert Bosch GmbH.CAN with Flexible Data-Rate, Version 1.1; Date Aug.2011，http://www.semiconductors.bosch.de/media/...pdf/canliteratur/can_fd.pdf
[2] G. Cena, A. Valenzano. Overclocking of Controller Area Networks. IEE Electronics Letters, vol. 35, 1999, pp. 1923-1925, No. 22, 28th October.
[3] CRC for CAN with flexible data rate(CAN FD)[EB/OL]. [2012-02-21].http://www.bosch-semicon-ductors.de/media/pdf/ipmodules_1/Whitepaper_CRC_CAN_FD_20111128.pdf.
[4] VeCo12_8_NewBusSystems_3_Lindenkreuz_Lecture.pdf
[5] Florian Hartwich, Robert Bosch GmbH.CAN with Flexible Data-Rate. The 13th International CAN Conference 2012.
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