CAN-FD和以太網(wǎng)共筑未來十年的汽車數(shù)據(jù)總線 — 快速、可靠(上)

     在汽車行業(yè)，汽車電子控制單元 (ECU) 經(jīng)歷了爆炸式
增長。這些 ECU 在遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上還采用了一些專 用協(xié)議，逐漸從獨(dú)立單元發(fā)展成了網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點。其結(jié) 果是，汽車網(wǎng)絡(luò)成本被拉低，同時其可靠性和性能得到了提 高。在過去的十年里，我們看到，數(shù)據(jù)總線逐漸發(fā)展成了車 載網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。在接下來的十年里，我們相信，現(xiàn)有汽車 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必將經(jīng)歷一系列的擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接必將進(jìn)入 汽車。本文對兩種新的汽車網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議進(jìn)行了分析，即 CAN-FD。
圖1  標(biāo)準(zhǔn) CAN 消息

圖2  位時間縮短的 CAN-FD

圖3  位時間縮短且負(fù)載增加的 CAN-FD
1 為何選擇新型數(shù)據(jù)總線？
一系列新型汽車功能的發(fā)展，例如，先進(jìn)的駕駛輔助 系統(tǒng)、泊車輔助系統(tǒng)、車道偏離警示系統(tǒng)、盲區(qū)探測以及信 息娛樂系統(tǒng)等，觸發(fā)了對新數(shù)據(jù)總線的需求。這些新型總線 必須能夠達(dá)到更快的速度，帶寬必須能夠擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)無 縫升級，而且還要有助于降低功耗、重量、芯線數(shù)和部署成 本。
2 CAN-FD（具有可變數(shù)據(jù)速率的 CAN）
CAN-FD 改善了汽車行業(yè)中主導(dǎo)總線系統(tǒng)（即 CAN 協(xié) 議）的帶寬利用率（參見圖 1、 2、 3）。帶寬利用率的提 高是通過以下方法實現(xiàn)的：
2.1  雙位速率：  CAN-FD 幀支持雙位時間功能
a. 正常位時間
? 這個位時間與現(xiàn)有 CAN 協(xié)議相同。這包括多個器件 可在其中（在仲裁開始和應(yīng)答結(jié)束時）同時進(jìn)行傳輸?shù)目偩€ 字段。
? 這些總線字段如下：
- 幀起始 (SOF) 位、仲裁場（ 12 位）和 2 個控制位
- 應(yīng)答位、應(yīng)答分界符位、幀結(jié)束 (EOF) 位（ 7 位）和 幀間隔（ 3 位）
b. 縮短的位時間
? 為了實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率， CAN-FD 允許某些特定總 線字段的位時間短于當(dāng)前的 CAN 位時間。
? 對這些總線字段的時序要求比較寬松，因為只是為了 保證器件僅一個接一個地進(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(biāo)準(zhǔn)幀

圖6  CAN 2.0 擴(kuò)展幀

圖7  CAN-FD 標(biāo)準(zhǔn)幀

? 這 些 總 線 字 段 包 括 ： 2  個 控 制 位 、 負(fù) 載 長 度 （ 4
位）、負(fù)載數(shù)據(jù)以及 CRC（ 17 或 21 位）。
2.2  負(fù)載增加
a. 消息長度為  64 字節(jié)，與以前的 8 字節(jié)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(tǒng)軟件。

3 CAN 幀格式
CAN-FD 是在當(dāng)前 CAN 協(xié)議的基礎(chǔ)上演變而來的，支 持現(xiàn)有的所有 CAN 幀格式。有關(guān)通用 CAN 幀格式，請參見 圖 4。
3.1   CAN 2.0 標(biāo)準(zhǔn)幀
下面描述的兩個位元標(biāo)識了標(biāo)準(zhǔn)幀（ 11 位標(biāo)識符）：
? 第 13 位 - 標(biāo)識符擴(kuò)展 (IDE) 位元 – 顯性 (0)? 第 14 位 - 保留位元 (R0) - 顯
性 (0)
另一個重要的位是第 12 位，
即遠(yuǎn)程傳輸請求 (RTR) 位元。
? 顯性 (0) - 數(shù)據(jù)幀
? 隱性 (1) - 遠(yuǎn)程幀
CAN 2.0 擴(kuò)展幀
C A N 2 . 0  協(xié) 議 還 支 持 擴(kuò) 展 幀（圖 6）。
下面描述的兩個位元標(biāo)識了擴(kuò) 展幀（ 29 位標(biāo)識符）：
? 第 13 位 - IDE 磁場 - 隱性 (1)
? 第 12 位 - SRR 磁場 - 隱性 (1)
R T R 位 元 的 新 位 置 是 第 3 2

位。擴(kuò) 展 幀 包 括 兩 個 保 留 位 元 （R0 和R1）。
3.2  CAN-FD 標(biāo)準(zhǔn)幀格式
在 CAN-FD 協(xié)議中，您將注意 到，數(shù)據(jù)負(fù)載更大（圖 7）。
下 面 描 述 的 兩 個 位 元 標(biāo) 識 了
CAN-FD 幀：
? 第 13 位 - 標(biāo)識符擴(kuò)展 (IDE)
位元 – 顯性 (0)
? 第 14 位 - 標(biāo)準(zhǔn)幀中的  R0 位元現(xiàn)在是擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度
(EDL) 位元 - 隱性 (1)
這 意 味 著 C A N - F D 規(guī) 范 應(yīng) 該 適 用 于 數(shù) 據(jù) 長 度 代 碼
(DLC) 和 CRC 序列。
第 16 位是一個新位元，即位速率選擇開關(guān) (BRS)
請注意，不存在 RTR 位元。
3.3  CAN-FD 中的新功能
? 擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度 (EDL) 位元：區(qū)分 CAN-FD 幀與標(biāo)準(zhǔn)
CAN 幀
? 顯性 - 標(biāo)準(zhǔn) CAN 幀格式
? 隱性 - CAN-FD 幀格式
? 位速率選擇開關(guān) (BRS) 位元：在 BRS 采樣點立即開始
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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與專屬以太網(wǎng)

圖9 　IEEE AVB 標(biāo)準(zhǔn)堆棧

? 錯誤狀態(tài)指示 (ESI) 位元
? 顯性 - 錯誤有源發(fā)射器
? 隱性 - 錯誤無源發(fā)射器
? 保留了兩個位元以用于進(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，以便為更長幀維持與標(biāo)準(zhǔn) 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 ECU 的最后編程工作。通 用汽車指出，使用 CAN-FD 后， ECU 編程時間將縮短至當(dāng) 前編程時間的三分之一，甚至是五分之一。同樣地，汽車修 理間內(nèi)的診斷或軟件升級時間也縮短了。
4.2  錯誤狀態(tài)
傳輸節(jié)點出錯可能會導(dǎo)致消息突然中斷，從而對那些 安全至上的系統(tǒng)造成影響。每個 CAN-FD 消息的錯誤狀態(tài)信 息 (ESI)位元中都包含傳輸節(jié)點的狀況。采用這種方式，接 收器就能夠監(jiān)控傳輸節(jié)點，并在實際問題發(fā)生之前采取故障 預(yù)防措施。
4.3  增加的數(shù)據(jù)載荷
CAN-FD 使得消息長度擴(kuò)展到了 64 字節(jié)，從而避免了長消息被拆分。其結(jié)果是，在 CAN 堆棧中形成了一個非常 簡化的傳輸層。您不必實現(xiàn)復(fù)雜的流控制機(jī)制來容納多個消 息。
4.4  ECU 之間的通信更快
隨著汽車功能的日益豐富，汽車 ECU 之間交換的數(shù)據(jù) 量也呈直線上升。 CAN-FD 憑借更高的帶寬，可以輕松處理 更大量的數(shù)據(jù)，而且能夠達(dá)到與 FlexRay 媲美的速度。
4.5  總線負(fù)載降低
由于通信速度更快， ECU 可以通過 CAN-FD 幀以比使 用標(biāo)準(zhǔn)CAN 幀時更快的速度發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其直接效果 就是總線負(fù)載會降低。示例：一個儀表板負(fù)責(zé)為駕駛員呈 現(xiàn)汽車的大量參數(shù)。它將需要驅(qū)動 3 到 7 個計量器，控制
20 到 30 個信號裝置，響鈴并顯示信號警報來指示狀態(tài)或系 統(tǒng)故障。該節(jié)點需要通過來自多個ECU 的大量 CAN 消息來 接收和傳輸信息。在這樣一個系統(tǒng)上，CAN 負(fù)載可以占到
75% - 80%。 CAN-FD 通過減少 CAN 總線負(fù)載緩解了這一問 題。
4.6  傳輸線路的長度
在卡車或鉸接巴士網(wǎng)絡(luò)中，總線的長度可能會達(dá)到 9
至 20 米。整個網(wǎng)絡(luò)的速度將會受到仲裁場的限制。
J1939-14 標(biāo)準(zhǔn)定義的最大位速率是 500kbps。然而， CAN-FD可以達(dá)到更高的速度。仲裁場可以仍維持的速度，但數(shù)據(jù)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(xù)）