關(guān)于車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革新-CAN FD深度分析

隨著電子、半導(dǎo)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(jīng)濟性以及娛樂性更強的汽車。汽車制造商為了提高產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)擁堵，影響信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。
不同的汽車，根據(jù)其級別、類型和配置的不同，ECU的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)拓撲都不盡相同。圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲為經(jīng)濟型轎車中常見的網(wǎng)絡(luò)拓撲，因為所有的ECU都在同一個CAN網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(yù)期的設(shè)計要求，因此CAN總線將不能滿足日益增長的汽車網(wǎng)絡(luò)需求。

圖1汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲

為解決帶寬與可靠性的需求，有人提出在汽車網(wǎng)絡(luò)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(shè)計車載網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(yīng)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(shè)計，它繼承了CAN總線的主要特性，提高了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，改善了錯誤幀漏檢率，同時可以保持網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的兼容性。
2.CAN FD介紹
引入CAN FD協(xié)議，對當前CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理層的改動較小，但是可以明顯提高數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)幀內(nèi)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(jù)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(jù)場數(shù)據(jù)字節(jié)小于16時CRC為17位

圖2 CAN FD數(shù)據(jù)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(jù)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(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)，當BRS為顯性位時數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(yīng)關(guān)系。

表1 DLC值與字節(jié)數(shù)對應(yīng)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(shè)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(chǎn)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。
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。

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(yīng)的多項式計算CRC序列并決定是否對發(fā)送幀進行應(yīng)答。
2.3CAN FD位時間轉(zhuǎn)換
CAN FD有兩套位時間配置寄存器，應(yīng)用于仲裁段的第一套的位時間較長，而應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǔ)上發(fā)展起來的CAN FD協(xié)議，實際應(yīng)用時需要對原來的CAN網(wǎng)絡(luò)物理層做一些改變，對軟件和應(yīng)用程序的修改較小。一般地要在車載CAN網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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(luò)（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(luò)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(yīng)用意義
CAN FD可以有效提高車載網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)用程序改動較小，CAN FD保留了車載CAN網(wǎng)絡(luò)的物理層和拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提供CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(luò)中可以沿用CAN總線的收發(fā)器，隨著技術(shù)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(luò)[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(yīng)用程序以及CAN物理層便可用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，CAN網(wǎng)絡(luò)向CAN FD網(wǎng)絡(luò)過渡是簡單方便而且易于實現(xiàn)的。