車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)革新-CAN FD淺析

　　隨著(zhù)電子、半導體、通訊等行業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)電子智能化的訴求也越來(lái)越強，消費者希望駕駛動(dòng)力性、舒適性、經(jīng)濟性以及娛樂(lè )性更強的汽車(chē)。汽車(chē)制造商為了提高產(chǎn)品競爭力，將越來(lái)越多的電子控制系統加入到汽車(chē)控制中，例如ESP（Electronic Stability Program，電子穩定程序）、PEPS（Passive Entry Passive Start無(wú)鑰匙進(jìn)入和啟動(dòng)系統）等。但是由于CAN總線(xiàn)的最高傳輸速率為1Mbit/s（通常汽車(chē)CAN系統的實(shí)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(xiàn)負載率急劇增大以致造成網(wǎng)絡(luò )擁堵，影響信息傳輸的可靠性和實(shí)時(shí)性。
　　不同的汽車(chē)，根據其級別、類(lèi)型和配置的不同，ECU的數量和網(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(chē)中常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )拓撲，因為所有的ECU都在同一個(gè)CAN網(wǎng)段上，其總線(xiàn)負載率可能高達50～60%，而一般情況下，CAN總線(xiàn)負載率在30%左右時(shí)網(wǎng)絡(luò )系統的性能相對較好，否則會(huì )增大報文延遲、降低系統的擴展性，尤其對于實(shí)時(shí)性要求較高的安全系統，高負載率甚至可能影響汽車(chē)行車(chē)安全；另一方面，CAN總線(xiàn)的位填充規則會(huì )對CRC(Cyclical Redundancy Check)造成干擾，引起錯誤幀漏檢，使信息傳輸的可靠性達不到預期的設計要求，因此CAN總線(xiàn)將不能滿(mǎn)足日益增長(cháng)的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )需求。

　　圖1汽車(chē)CAN總線(xiàn)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(chē)網(wǎng)絡(luò )中使用新的總線(xiàn)協(xié)議替代CAN總線(xiàn)，例如安全系統中使用FlexRay總線(xiàn)、娛樂(lè )系統中使用MOST總線(xiàn)，但需要重新開(kāi)發(fā)控制器軟硬件、重新設計車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統等，這無(wú)疑會(huì )增加汽車(chē)制造商的開(kāi)發(fā)成本，降低其市場(chǎng)競爭力，因此在目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統的基礎上對CAN總線(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)顯得尤其迫切。
　　2011年Bosch發(fā)布了CAN替代總線(xiàn)--CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate) 1.1版。CAN FD比CAN總線(xiàn)的帶寬更高，具有與CAN總線(xiàn)相似的控制器接口，這種相似性使ECU供應商不需要對ECU的軟件部分做大規模修改，降低了開(kāi)發(fā)難度和成本。CAN FD是CAN總線(xiàn)的升級換代設計，它繼承了CAN總線(xiàn)的主要特性，提高了CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信帶寬，改善了錯誤幀漏檢率，同時(shí)可以保持網(wǎng)絡(luò )系統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(xiàn)的保留位進(jìn)行判斷以及區分不同的幀格式[1]。在現有車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中應用CAN FD協(xié)議時(shí)，需要加入CAN FD控制器，但是CAN FD也可以參與到原來(lái)的CAN通信網(wǎng)絡(luò )中，提高了網(wǎng)絡(luò )系統的兼容性。
　　2.CAN FD介紹
　　引入CAN FD協(xié)議，對當前CAN網(wǎng)絡(luò )系統物理層的改動(dòng)較小，但是可以明顯提高數據的串行通信速率， CAN FD與文獻【2】中提到的方法近似，即通過(guò)改變幀的格式增加總線(xiàn)帶寬：一種方式為加長(cháng)數據場(chǎng)長(cháng)度減少報文數量降低總線(xiàn)負載率；另一種方式為縮短位時(shí)間提高位速率。
　　CAN FD在數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

　　數據場(chǎng)數據字節小于16時(shí)CRC為17位

　　圖2 CAN FD數據幀格式

　　對比CAN總線(xiàn)幀格式，CAN FD幀增加或改變了一些位的功能，包括：
　　◆EDL(Extended Data Length)擴展數據長(cháng)度，在標準的CAN幀中，控制場(chǎng)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(kāi)關(guān)位之前提供一個(gè)重同步沿，這個(gè)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中接收節點(diǎn)忽略r1和r0位的值；
　　◆BRS(Bit Rate Switch)位速率轉換開(kāi)關(guān)，當BRS為顯性位時(shí)數據段的位速率與仲裁段的位速率一致，當BRS為隱性位時(shí)數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(dòng)錯誤時(shí)發(fā)送顯性位，被動(dòng)錯誤時(shí)發(fā)送隱性位。
　　CAN FD協(xié)議中沒(méi)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系統中。
　　CAN FD一幀最多可以傳輸64個(gè)字節，因此DLC將重新定義CAN FD的數據長(cháng)度，值的范圍將由原來(lái)的0000b~1000b（覆蓋8個(gè)字節）擴大至0000b~1111b以滿(mǎn)足需求，表1所示為DLC數值與字節數的對應關(guān)系。

　　表1 DLC值與字節數對應表

　　2.2CRC算法
　　CAN總線(xiàn)通常進(jìn)行位填充以保持同步，但是位填充會(huì )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(gè)別的情況下檢測不出來(lái)，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(huì )改變幀位。CAN FD為了避免這種錯誤，對CRC算法做了改進(jìn)：將填充位納入到CRC計算中，即CRC以含填充位的位流進(jìn)行計算，以一個(gè)填充位開(kāi)始并且序列每4位插入一個(gè)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。