关于车载网络技术革新-CAN FD深度分析

随着电子、半导体、通讯等行业的快速发展，汽车电子智能化的诉求也越来越强，消费者希望驾驶动力性、舒适性、经济性以及娱乐性更强的汽车。汽车制造商为了提高产品竞争力，将越来越多的电子控制系统加入到汽车控制中，例如ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）、PEPS（Passive Entry Passive Start无钥匙进入和启动系统）等。但是由于CAN总线的最高传输速率为1Mbit/s（通常汽车CAN系统的实际使用速率最高为500kbit/s），ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）的大量增加使总线负载率急剧增大以致造成网络拥堵，影响信息传输的可靠性和实时性。
不同的汽车，根据其级别、类型和配置的不同，ECU的数量和网络拓扑都不尽相同。图1所示的网络拓扑为经济型轿车中常见的网络拓扑，因为所有的ECU都在同一个CAN网段上，其总线负载率可能高达50～60%，而一般情况下，CAN总线负载率在30%左右时网络系统的性能相对较好，否则会增大报文延迟、降低系统的扩展性，尤其对于实时性要求较高的安全系统，高负载率甚至可能影响汽车行车安全；另一方面，CAN总线的位填充规则会对CRC(Cyclical Redundancy Check)造成干扰，引起错误帧漏检，使信息传输的可靠性达不到预期的设计要求，因此CAN总线将不能满足日益增长的汽车网络需求。

图1汽车CAN总线网络拓扑

为解决带宽与可靠性的需求，有人提出在汽车网络中使用新的总线协议替代CAN总线，例如安全系统中使用FlexRay总线、娱乐系统中使用MOST总线，但需要重新开发控制器软硬件、重新设计车载网络系统等，这无疑会增加汽车制造商的开发成本，降低其市场竞争力，因此在目前车载网络系统的基础上对CAN总线进行改进显得尤其迫切。
2011年Bosch发布了CAN替代总线--CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate) 1.1版。CAN FD比CAN总线的带宽更高，具有与CAN总线相似的控制器接口，这种相似性使ECU供应商不需要对ECU的软件部分做大规模修改，降低了开发难度和成本。CAN FD是CAN总线的升级换代设计，它继承了CAN总线的主要特性，提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变。CAN FD协议充分利用CAN总线的保留位进行判断以及区分不同的帧格式[1]。在现有车载网络中应用CAN FD协议时，需要加入CAN FD控制器，但是CAN FD也可以参与到原来的CAN通信网络中，提高了网络系统的兼容性。
2.CAN FD介绍
引入CAN FD协议，对当前CAN网络系统物理层的改动较小，但是可以明显提高数据的串行通信速率， CAN FD与文献【2】中提到的方法近似，即通过改变帧的格式增加总线带宽：一种方式为加长数据场长度减少报文数量降低总线负载率；另一种方式为缩短位时间提高位速率。
CAN FD在数据帧内部采用两种不同的位速率，即在仲裁段（Arbitration-Phase）采用标准CAN位速率通信，在数据段（Data-Phase）采用高速率通信。
2.1CAN FD的帧格式

(a)标准帧格式

(b)扩展帧格式

数据场数据字节小于16时CRC为17位

图2 CAN FD数据帧格式

对比CAN总线帧格式，CAN FD帧增加或改变了一些位的功能，包括：
◆EDL(Extended Data Length)扩展数据长度，在标准的CAN帧中，控制场包含的保留位被指定为显性位发送，但是在CAN FD帧中，如图2(a)标准帧IDE位之后的保留位或者图2(b)扩展帧中RTR位之后的保留位被定义为EDL并以隐性位发送，EDL主要用于区分标准CAN帧格式和CAN FD的帧格式。由于在CAN FD中EDL总是以隐形位发送，后面的位r0为显性位，因此可在BRS(Bit Rate Switch)位速率开关位之前提供一个重同步沿，这个沿也可用于在收发器延迟补偿中测量收发器的延迟；
◆r1，r0，保留位并以显性位发送，在CAN FD中接收节点忽略r1和r0位的值；
◆BRS(Bit Rate Switch)位速率转换开关，当BRS为显性位时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致，当BRS为隐性位时数据段的位速率高于仲裁段的位速率；
◆ESI(Error State Indicator)错误状态指示，主动错误时发送显性位，被动错误时发送隐性位。
CAN FD协议中没有远程帧，标准CAN帧中的RTR位由保留位r1（显性位）替代，因此可将CAN远程帧用于CAN FD系统中。
CAN FD一帧最多可以传输64个字节，因此DLC将重新定义CAN FD的数据长度，值的范围将由原来的0000b~1000b（覆盖8个字节）扩大至0000b~1111b以满足需求，表1所示为DLC数值与字节数的对应关系。

表1 DLC值与字节数对应表

2.2CRC算法
CAN总线通常进行位填充以保持同步，但是位填充会干扰CRC的计算，从而造成错误漏检率达不到设计目标。因为有两种位错误在个别的情况下检测不出来，一种位错误产生位填充条件，另外一种位错误失去位填充条件，这两种位错误都会改变帧位。CAN FD为了避免这种错误，对CRC算法做了改进：将填充位纳入到CRC计算中，即CRC以含填充位的位流进行计算，以一个填充位开始并且序列每4位插入一个填充位加以分割，且填充位的值是上一位的反码。作为格式检查，如果填充位不是上一位的反码，就报错处理。
CAN FD保留了所有的CAN错误界定机制，包括错误帧、错误计数器、主动错误/被动错误状态等。文献【3】中提到相对于标准CAN，CAN FD允许更长的数据场，因此选择两种新BCH型CRC多项式：数据场长度小于16个字节采用g17，数据场长度多于16个字节时采用g21，海明距离HD=6。

通过帧控制场的EDL位确定帧格式后发送DLC，并从g17、g21以及标准CAN帧多项式中选择正确的多项式计算CRC序列。接收节点也选择相应的多项式计算CRC序列并决定是否对发送帧进行应答。
2.3CAN FD位时间转换
CAN FD有两套位时间配置寄存器，应用于仲裁段的第一套的位时间较长，而应用于数据段的第二套位时间较短。首先对BRS位进行采样，如果显示隐性位，即在BRS采样点转换成较短的位时间机制，并在CRC界定符位的采样点转换回第一套位时间机制。为保证其他节点同步CAN FD选择在采样点进行位时间转换。
2.4收发器延迟补偿
目前应用的CAN收发器存在回路延迟，延迟时间最高可达255ns。CAN FD协议中，帧的数据段位时间有可能小于255ns，如果当采样点到来时发送节点还没有收到其发出的位，发送节点就会报错，因此 CAN FD通过可选择性的收发器延迟补偿机制避免这种情况发生。发送节点将这种补偿机制应用到帧的高速数据段，接收节点不需要收发器延迟补偿。
在收发器延迟补偿机制中，定义一个次级采样点SSP(Second Sample Point)并在接收位的SSP处比发送的位值进行比较检查位错误，同时忽略原来采样点的位值。CAN FD协议控制器在位速率转换之前的EDL位到r0位的下降沿上测量收发器的回路延迟Trv_Delay，延迟Trv_Delay通过计数器测量，起始于CAN_tx的r0下降沿终止于CAN_rx的r0下降沿。
Trv_Delay加上一个可变的偏移量(例如1/2高速位时间)即为SSP的位置。如果SSP发生在发送位发送结束后，那么将发送位缓存等待SSP到达再进行位错误检查。如果在SSP处检测到位错误，那么将这个位错误的信息缓存，直到下一个采样点到达时才对位错误做处理，此时位速率转换回仲裁段的低速率进行数据传输。如果直到CRC界定符的采样点到达都没有检测到位错误，CAN FD协议控制器转换位速率并返回到标准位错误检测模式。
2.5硬件支持
在CAN总线基础上发展起来的CAN FD协议，实际应用时需要对原来的CAN网络物理层做一些改变，对软件和应用程序的修改较小。一般地要在车载CAN网络中进行CAN FD通信时，需要添加CAN FD控制器。目前CAN FD控制器还没有产品问世，Bosch在实验室中将CAN IP模块嵌入FPGA中实现了CAN FD控制器的功能，这种方法目前也主要用于仿真验证和实验室测试。CAN IP模块如图3所示，它由2个CAN FD IP core在FPGA上运行，上层由CPU控制。

图3 CAN IP Module结构图

NXP宣布将在2013年上半年发布TJA1145 FD收发器的样片，这款收发器支持CAN局部网络（PN, Partial Networking）并且配置了额外的寄存器可以忽略CAN FD消息，这为CAN FD节点和传统的CAN节点兼容于一个网络提供了条件，即CAN FD节点通信时，CAN节点进入睡眠状态，CAN FD通信结束后由一个CAN唤醒消息将CAN节点唤醒。同时NXP宣布将在2013年第三季度发布SJA1145样片，这是一款集成片上收发器的CAN FD协议控制器，支持64个字节的传输负载和2M的传输速率，但是SJA1145需要精确的外部时钟。Etas和Vector等工具厂商也跃跃欲试，发布了其支持CAN FD总线通信的工具及其发展计划。
3.CAN FD应用意义
CAN FD可以有效提高车载网络的数据传输速率，并且保持现有软硬件不做大的改变。图4为Bosch提供的位速率增长曲线，从曲线可以看出当仲裁段的位速率一定时，随着数据段速率的增大数据帧的平均位速率是逐渐增大的，随着帧数据场长度的增加平均位速率也是变大的。当仲裁段位速率选定1Mbit/s、数据场长度为64个字节、数据段的位速率为8Mbit/s时，CAN FD总线的带宽可以提高到5 Mbit/s多，这是相当可观的[4]。

图4 CAN FD数据帧平均位速率

Bosch还提供了一组数据：在软件下载时标准CAN帧速率为500Kbit/s时，传输4个8字节的CAN帧并包括15%的填充位，其在总线上耗时1021μs；而如果传输1个32字节的CAN FD帧并包括15%的填充位其在总线上耗时仅为229μs，节省了3/4的传输时间。同时由于数据场的加长，即使长报文也无需分成多包发送，有利于总线传输层管理。
CAN FD显著提高了车载CAN网络的带宽，更长的数据场长度可以避免使用多包传输。CAN FD的成本与CAN总线基本接近，并且对目前的软件和应用程序改动较小，CAN FD保留了车载CAN网络的物理层和拓扑结构，能够提供CAN总线网络的无缝升级，这些优越性为CAN FD提供了良好的发展前景。
4.结语
CAN FD是一种新协议，它保持了CAN协议的核心特征，并且拥有更高的带宽以及更长的数据长度，CAN FD在车载网络中可以沿用CAN总线的收发器，随着技术的发展也可以采用专用收发器，当采用CAN总线收发器时，其传输速率期望值为2.5 Mbit/s，相当于低速的FlexRay车载网络[5]。目前CAN FD还处于引入阶段，CAN FD通信可以用于特定用途，例如软件下载，此时其他不支持CAN FD的节点就保持睡眠状态。采用CAN FD协议的ECU无需改变应用程序以及CAN物理层便可用于现有网络系统，CAN网络向CAN FD网络过渡是简单方便而且易于实现的。