汽車CAN-FD總線通信應用研究

來源：孫建蕾、陳博、尹榮彬/中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院??

傳統(tǒng)的車載CAN總線最高支持500 kbit/s的傳輸速率，每幀只能承載8 bytes的數(shù)據(jù)，由于傳輸速率和數(shù)據(jù)長度的限制，在自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)對網(wǎng)絡通信的高要求背景下，使用傳統(tǒng) CAN 通信勢必會導致總線負載率過高從而導致網(wǎng)絡擁堵，傳統(tǒng)CAN總線通信的瓶頸逐漸凸顯。

2011年，為滿足帶寬和可靠性的需求，Bosch首次發(fā)布了 CAN-FD(CAN With Flexible Data-Rate)方案，CAN-FD繼承了傳統(tǒng)CAN總線的主要特性，使用改動較小的物理層，雙線串行通信協(xié)議，依然基于非破壞性仲裁技術，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制，在此基礎上對帶寬和數(shù)據(jù)長度進行優(yōu)化，將逐步取代傳統(tǒng)CAN成為下一代主流汽車總線系統(tǒng)，與車載以太網(wǎng)搭配構建未來汽車的網(wǎng)絡骨架。

1. CAN-FD概述

1.1 基于OSI參考模型的CAN-FD 協(xié)議分層

CAN-FD 的協(xié)議架構（網(wǎng)絡分層）與傳統(tǒng) CAN 保持一致，故后文中對協(xié)議架構部分的說明將不對CAN與CAN-FD進行區(qū)分。

CAN 協(xié)議也是基于 ISO/IEC 7498-1 中規(guī)定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)基本參考模型，該模型將通信系統(tǒng)結(jié)構劃分為 7 層。自上而下分別為應用層（層 7）、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（層 1）。

考慮到 CAN 作為工業(yè)測控底層網(wǎng)絡，其信息傳輸量相對較少，信息傳輸?shù)膶崟r性要求較高，網(wǎng)絡連接方式相對較簡單，因此，CAN 總線網(wǎng)絡底層只采用了 OSI 7 層通信模型的最低 2 層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在高層只有應用層。CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層。物理層定義信號怎樣傳輸，完成電氣連接，實現(xiàn)驅(qū)動器/接收器特性；MAC 子層是實現(xiàn)CAN 協(xié)議的核心，它的功能主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定；LLC子層的功能主要是報文濾波、超載通知和恢復管理。

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由 CAN 接口器件來完成。應用層的功能是由微處理器完成的。在ISO 11898中對 CAN 協(xié)議層級與 OSI模型層級的關系進行了說明，圖 1 描述了 CAN 協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層與 OSI模型的關系。

圖1 CAN分層結(jié)構與OSI模型對比

1.2 CAN-FD優(yōu)勢分析

CAN-FD相比傳統(tǒng)CAN總線，其優(yōu)勢主要有以下3點。

（1）傳輸速率更快

FD全稱是 Flexible Data-Rate,顧名思義，表示CAN-FD 的幀報文具有數(shù)據(jù)場波特率可變的特性，即仲裁場合數(shù)據(jù)控制場使用標準的通信波特率，而到數(shù)據(jù)場就會切換為更高的通信波特率，車端常用的為2Mbit/s和5Mbit/s,從而達到提高通信速率的目的。

圖2 CAN標準幀結(jié)構

圖3 CAN-FD標準幀結(jié)構（數(shù)據(jù)長度最大為16 bytes）

圖4 CAN-FD標準幀結(jié)構（數(shù)據(jù)長度為20~64 bytes）

（2）有效數(shù)據(jù)場更長

傳統(tǒng)CAN報文標準幀的有效數(shù)據(jù)場只有8bytes，每幀攜帶的數(shù)據(jù)量很少，CAN-FD 對有效數(shù)據(jù)場的長度進行了很大的擴充，標準幀的有效數(shù)據(jù)場最大可達到64bytes，大大提高了每幀報文中所能攜帶的數(shù)據(jù)量。

（3）更小的改動

CAN-FD保留了傳統(tǒng)CAN總線協(xié)議的核心特征，這使得在ECU和收發(fā)器等硬件層面上相較于車載以太網(wǎng)更易實現(xiàn)和應用，且由于CAN-FD與傳統(tǒng)CAN對物理層的要求基本一致，CAN-FD的 ECU 和收發(fā)器對傳統(tǒng)CAN兼容，OEM不論是采用直接升級為CAN FD總線的方案還是在切換過渡的階段先采用混網(wǎng)的方案，在技術實現(xiàn)和開發(fā)成本控制層面都可以達到預期。

2. CAN-FD在產(chǎn)品車型上的應用

以某車型為例，該項目已對 CAN-FD網(wǎng)絡進行了量產(chǎn)化應用，該項目基于電子電氣功能架構搭建了集合多種車載網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡架構，集信息域、互聯(lián)域、自動駕駛域、底盤動力域的多域融合的一汽新一代整車網(wǎng)絡架構，該架構具備支持拓展 L2+級自動駕駛和整車級 OTA 技術的能力，具有高功能安全、高信息安全的技術優(yōu)勢。

2.1 功能定義

本車型CAN-FD部分主要實現(xiàn)ADAS自動駕駛和動力車控等功能，ADAS 功能分為駕駛智能輔助功能和自動駕駛功能，包括撥桿換道、自動換道、自適應巡航、高速代駕、擁堵跟車、自動泊車等基本或高階的功能，涉及到 ADAS 域控制器與感知傳感器、底盤、動力等執(zhí)行控制器的控制交互。

2.2 方案設計

對于 2.1 章節(jié)所描述的功能需求，在以往項目設計時多采用 CAN 總線進行傳輸相關報文，但隨著ADAS 功能水平升級，這些 ADAS 功能的實現(xiàn)對網(wǎng)絡通信有著更高性能、低時延、高帶寬及ASIL B+的功能安全要求，傳統(tǒng)CAN通信已無法滿足。一汽紅旗在本車型上首次應用 CAN-FD 搭建 ADAS 等域的網(wǎng)絡架構，實現(xiàn) ADAS 域控制器與感知控制器及執(zhí)行控制器之間的高實時性和穩(wěn)定性的通信傳輸。

在本車型網(wǎng)絡架構設計中，將 ADAS 功能相關的報文分為 2類，控制類和感知類。再根據(jù)每個單元功能的功能安全ASIL等級確定每條報文和信號的ASIL等級，進而制定每條信號的E2E校驗策略。由于舒適娛樂采用傳統(tǒng)CAN的網(wǎng)絡骨架，所以在中央網(wǎng)關中做了 CAN 轉(zhuǎn) CAN-FD（CAN-FD 轉(zhuǎn) CAN）的功能設計，并對網(wǎng)關做了功能安全冗余設計，網(wǎng)關功能安全設計內(nèi)容在此不做贅述。

2.3 設計實現(xiàn)

2.3.1 車型CAN-FD節(jié)點拓撲結(jié)構設計

在本車型項目中，CAN-FD 節(jié)點主要有網(wǎng)關控制器、ADAS 域控制器、ADAS 感知控制器、動力域控制器、底盤域控制器（圖 5）。

圖5 車型CAN-FD節(jié)點拓撲

其中網(wǎng)關主要實現(xiàn) PDUCAN-FD 路由功能、CAN-CANFD 路由功能；ADAS 域控制器實現(xiàn) ADAS 規(guī)劃決策功能；ADAS 感知控制器實現(xiàn)環(huán)境感知和定位功能；動力域控制器實現(xiàn)動力分配和控制功能；底盤域控制器實現(xiàn)制動和轉(zhuǎn)向功能。

2.3.2 路由策略設計

從 CAN 到 CAN-FD 的路由，考慮到傳輸效率，網(wǎng)關將接收到的多個 CAN 報文打包到一個 CAN-FD 報文中進行發(fā)送，為保證報文矩陣的可擴展性和打包解析的便利性，CAN-FD中每8個bytes與傳統(tǒng)CAN報文相對應，每連續(xù)的8 bytes中至少預留32 bits用于未來功能的擴展。CAN-FD報文數(shù)據(jù)部分設計為如圖6。

圖6 CAN-FD路由CAN-FD報文數(shù)據(jù)場結(jié)構

網(wǎng)關的報文路由形式分為CAN-CAN路由，CANCANFD 路由和 CANFD-CAN 路由 3 種，CAN-CAN 路由遵循傳統(tǒng) CAN 路由原則，在此不做贅述，后文主要對后2種路由形式進行詳細說明。

CAN-CANFD路由：

網(wǎng)關可以將多條報文進行組包后轉(zhuǎn)發(fā)，也可以不組包單報文轉(zhuǎn)發(fā)；單報文轉(zhuǎn)發(fā)僅改變源網(wǎng)段報文的ID和報文類型（幀結(jié)構和傳輸速率），但不改變數(shù)據(jù)場里信號的位置和數(shù)據(jù)場長度（DLC），這種轉(zhuǎn)發(fā)形式稱為報文路由。直接路由可以通過底層軟件自己完成，不需要上層軟件的參與，路由時間延遲低，一般可控制器在2 ms以內(nèi)。

圖7 報文路由過程示例

CANFD-CAN路由：

CAN-FD到CAN總線的消息轉(zhuǎn)發(fā)需要將DLC長達64 bytes的CAN-FD的消息幀拆分為多個DLC最長為8 bytes的CAN消息幀，需要數(shù)據(jù)場中的信號拆分重組，改變報文的ID、報文類型、DLC長度以及信號位置，這種路由方式稱為信號路由。信號路由過程需要上層軟件的參與，路由時延相比報文路由要高一些，想實現(xiàn)功能安全，網(wǎng)關也需要做更多的安全冗余設計工作。

2.4 CAN-FD通信性能驗證

針對本項目設計，搭建了臺架對 CAN-FD相關節(jié)點進行了一致性測試和硬件在環(huán)（Hardware In the Loop，HIL）驗證，在網(wǎng)絡的關鍵性能指標如總線負載率、吞吐量、平均時延和峰值時延、網(wǎng)絡利用率和網(wǎng)絡效率都得出了不錯的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖8 信號路由過程示例

3. 基于CAN-FD的新一代汽車網(wǎng)絡架構

車聯(lián)網(wǎng)、V2X 和自動駕駛對汽車網(wǎng)絡高帶寬、低延遲的高要求，使得以傳統(tǒng)CAN為骨架的汽車網(wǎng)絡架構已逐步退出歷史舞臺。車載以太網(wǎng)技術的發(fā)展為高帶寬提供了可能性，但車載以太網(wǎng)由于其點對點通信和非實時的協(xié)議特性使其無法滿足車控功能對高實時性和一對多通信的需求，而 CAN-FD 基于傳統(tǒng)CAN 的核心特征，繼承了總線仲裁和廣播通信特性，非常適用于車控信息的交互。利用 CAN-FD 與車載以太網(wǎng)的協(xié)議特征，主機廠已構建出以CAN-FD和車載以太網(wǎng)為網(wǎng)絡骨架的新一代智能汽車的網(wǎng)絡架構。

車載以太網(wǎng)在一汽的量產(chǎn)車型上也已得到應用，用于實現(xiàn)了安全防護、車況查詢、遠程控制、手機泊車、移動網(wǎng)絡、WiFi 功能、定位導航、信息推送方面功能。在該車型上，以車載以太網(wǎng)和 CAN-FD 為主干網(wǎng)絡，研發(fā)工程師搭建了面向服務的集信息域、互聯(lián)域、自動駕駛域、底盤域的多域融合的新一代整車網(wǎng)絡架構。

審核編輯：湯梓紅