CAN-FD和以太網(wǎng)共筑未來(lái)十年的汽車(chē)數據總線(xiàn) — 快速、可靠(上)

     在汽車(chē)行業(yè)，汽車(chē)電子控制單元 (ECU) 經(jīng)歷了爆炸式
增長(cháng)。這些 ECU 在遵循行業(yè)標準的基礎上還采用了一些專(zhuān) 用協(xié)議，逐漸從獨立單元發(fā)展成了網(wǎng)絡(luò )中的智能節點(diǎn)。其結 果是，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )成本被拉低，同時(shí)其可靠性和性能得到了提 高。在過(guò)去的十年里，我們看到，數據總線(xiàn)逐漸發(fā)展成了車(chē) 載網(wǎng)絡(luò )的標準。在接下來(lái)的十年里，我們相信，現有汽車(chē) 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議必將經(jīng)歷一系列的擴展，標準網(wǎng)絡(luò )連接必將進(jìn)入 汽車(chē)。本文對兩種新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )連接協(xié)議進(jìn)行了分析，即 CAN-FD。
圖1  標準 CAN 消息

圖2  位時(shí)間縮短的 CAN-FD

圖3  位時(shí)間縮短且負載增加的 CAN-FD
1 為何選擇新型數據總線(xiàn)？
一系列新型汽車(chē)功能的發(fā)展，例如，先進(jìn)的駕駛輔助 系統、泊車(chē)輔助系統、車(chē)道偏離警示系統、盲區探測以及信 息娛樂(lè )系統等，觸發(fā)了對新數據總線(xiàn)的需求。這些新型總線(xiàn) 必須能夠達到更快的速度，帶寬必須能夠擴展，能夠實(shí)現無(wú) 縫升級，而且還要有助于降低功耗、重量、芯線(xiàn)數和部署成 本。
2 CAN-FD（具有可變數據速率的 CAN）
CAN-FD 改善了汽車(chē)行業(yè)中主導總線(xiàn)系統（即 CAN 協(xié) 議）的帶寬利用率（參見(jiàn)圖 1、 2、 3）。帶寬利用率的提 高是通過(guò)以下方法實(shí)現的：
2.1  雙位速率：  CAN-FD 幀支持雙位時(shí)間功能
a. 正常位時(shí)間
? 這個(gè)位時(shí)間與現有 CAN 協(xié)議相同。這包括多個(gè)器件 可在其中（在仲裁開(kāi)始和應答結束時(shí)）同時(shí)進(jìn)行傳輸的總線(xiàn) 字段。
? 這些總線(xiàn)字段如下：
- 幀起始 (SOF) 位、仲裁場(chǎng)（ 12 位）和 2 個(gè)控制位
- 應答位、應答分界符位、幀結束 (EOF) 位（ 7 位）和 幀間隔（ 3 位）
b. 縮短的位時(shí)間
? 為了實(shí)現更高的數據速率， CAN-FD 允許某些特定總 線(xiàn)字段的位時(shí)間短于當前的 CAN 位時(shí)間。
? 對這些總線(xiàn)字段的時(shí)序要求比較寬松，因為只是為了 保證器件僅一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行傳輸。不需要逐位仲裁。

圖4 通用 CAN 幀格式

圖5  CAN 2.0 標準幀

圖6  CAN 2.0 擴展幀

圖7  CAN-FD 標準幀

? 這 些 總 線(xiàn) 字 段 包 括 ： 2  個(gè) 控 制 位 、 負 載 長(cháng) 度 （ 4
位）、負載數據以及 CRC（ 17 或 21 位）。
2.2  負載增加
a. 消息長(cháng)度為  64 字節，與以前的 8 字節相比，提高了
CAN協(xié)議的效率。
b. 為了充分利用 CAN-FD 的這一改進(jìn)，您還需要更新系 統軟件。

3 CAN 幀格式
CAN-FD 是在當前 CAN 協(xié)議的基礎上演變而來(lái)的，支 持現有的所有 CAN 幀格式。有關(guān)通用 CAN 幀格式，請參見(jiàn) 圖 4。
3.1   CAN 2.0 標準幀
下面描述的兩個(gè)位元標識了標準幀（ 11 位標識符）：
? 第 13 位 - 標識符擴展 (IDE) 位元 – 顯性 (0)? 第 14 位 - 保留位元 (R0) - 顯
性 (0)
另一個(gè)重要的位是第 12 位，
即遠程傳輸請求 (RTR) 位元。
? 顯性 (0) - 數據幀
? 隱性 (1) - 遠程幀
CAN 2.0 擴展幀
C A N 2 . 0  協(xié) 議 還 支 持 擴 展 幀（圖 6）。
下面描述的兩個(gè)位元標識了擴 展幀（ 29 位標識符）：
? 第 13 位 - IDE 磁場(chǎng) - 隱性 (1)
? 第 12 位 - SRR 磁場(chǎng) - 隱性 (1)
R T R 位 元 的 新 位 置 是 第 3 2

位。擴 展 幀 包 括 兩 個(gè) 保 留 位 元 （R0 和R1）。
3.2  CAN-FD 標準幀格式
在 CAN-FD 協(xié)議中，您將注意 到，數據負載更大（圖 7）。
下 面 描 述 的 兩 個(gè) 位 元 標 識 了
CAN-FD 幀：
? 第 13 位 - 標識符擴展 (IDE)
位元 – 顯性 (0)
? 第 14 位 - 標準幀中的  R0 位元現在是擴展數據長(cháng)度
(EDL) 位元 - 隱性 (1)
這 意 味 著(zhù) C A N - F D 規 范 應 該 適 用 于 數 據 長(cháng) 度 代 碼
(DLC) 和 CRC 序列。
第 16 位是一個(gè)新位元，即位速率選擇開(kāi)關(guān) (BRS)
請注意，不存在 RTR 位元。
3.3  CAN-FD 中的新功能
? 擴展數據長(cháng)度 (EDL) 位元：區分 CAN-FD 幀與標準
CAN 幀
? 顯性 - 標準 CAN 幀格式
? 隱性 - CAN-FD 幀格式
? 位速率選擇開(kāi)關(guān) (BRS) 位元：在 BRS 采樣點(diǎn)立即開(kāi)始
CAN-FD 速率
? 顯性 - 不切換到新位速率
? 隱性 - 切換到新位速率

圖8  標準以太網(wǎng)與專(zhuān)屬以太網(wǎng)

圖9 　IEEE AVB 標準堆棧

? 錯誤狀態(tài)指示 (ESI) 位元
? 顯性 - 錯誤有源發(fā)射器
? 隱性 - 錯誤無(wú)源發(fā)射器
? 保留了兩個(gè)位元以用于進(jìn)一步的協(xié)議修訂 - R0（第 15
位）和 R1（第 12 位），但位元的位置與早期版本不同
? 修改了 CRC，以便為更長(cháng)幀維持與標準 CAN幀相同 的漢明距離


4  CAN_FD  使用案例
4.1  快速軟件下載
CAN-FD 可以加速針對汽車(chē) ECU 的最后編程工作。通 用汽車(chē)指出，使用 CAN-FD 后， ECU 編程時(shí)間將縮短至當 前編程時(shí)間的三分之一，甚至是五分之一。同樣地，汽車(chē)修 理間內的診斷或軟件升級時(shí)間也縮短了。
4.2  錯誤狀態(tài)
傳輸節點(diǎn)出錯可能會(huì )導致消息突然中斷，從而對那些 安全至上的系統造成影響。每個(gè) CAN-FD 消息的錯誤狀態(tài)信 息 (ESI)位元中都包含傳輸節點(diǎn)的狀況。采用這種方式，接 收器就能夠監控傳輸節點(diǎn)，并在實(shí)際問(wèn)題發(fā)生之前采取故障 預防措施。
4.3  增加的數據載荷
CAN-FD 使得消息長(cháng)度擴展到了 64 字節，從而避免了長(cháng)消息被拆分。其結果是，在 CAN 堆棧中形成了一個(gè)非常 簡(jiǎn)化的傳輸層。您不必實(shí)現復雜的流控制機制來(lái)容納多個(gè)消 息。
4.4  ECU 之間的通信更快
隨著(zhù)汽車(chē)功能的日益豐富，汽車(chē) ECU 之間交換的數據 量也呈直線(xiàn)上升。 CAN-FD 憑借更高的帶寬，可以輕松處理 更大量的數據，而且能夠達到與 FlexRay 媲美的速度。
4.5  總線(xiàn)負載降低
由于通信速度更快， ECU 可以通過(guò) CAN-FD 幀以比使 用標準CAN 幀時(shí)更快的速度發(fā)送和接收數據。其直接效果 就是總線(xiàn)負載會(huì )降低。示例：一個(gè)儀表板負責為駕駛員呈 現汽車(chē)的大量參數。它將需要驅動(dòng) 3 到 7 個(gè)計量器，控制
20 到 30 個(gè)信號裝置，響鈴并顯示信號警報來(lái)指示狀態(tài)或系 統故障。該節點(diǎn)需要通過(guò)來(lái)自多個(gè)ECU 的大量 CAN 消息來(lái) 接收和傳輸信息。在這樣一個(gè)系統上，CAN 負載可以占到
75% - 80%。 CAN-FD 通過(guò)減少 CAN 總線(xiàn)負載緩解了這一問(wèn) 題。
4.6  傳輸線(xiàn)路的長(cháng)度
在卡車(chē)或鉸接巴士網(wǎng)絡(luò )中，總線(xiàn)的長(cháng)度可能會(huì )達到 9
至 20 米。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的速度將會(huì )受到仲裁場(chǎng)的限制。
J1939-14 標準定義的最大位速率是 500kbps。然而， CAN-FD可以達到更高的速度。仲裁場(chǎng)可以仍維持的速度，但數據載荷能夠以高得多的速率進(jìn)行交換。這極大 地提高了網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。（未完待續）