CAN FD 在 iMX8 計(jì)算機(jī)模塊上的應(yīng)用

By Toradex胡珊逢

CAN 總線(xiàn)在工業(yè)、汽車(chē)行業(yè)具有非常廣泛的應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信提供一種可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的方案。伴隨網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)的增加，由于 1Mbps 速率和最長(zhǎng)數(shù)據(jù) 8 字節(jié)的限制，通信效率和總線(xiàn)占用問(wèn)題變得愈發(fā)突出。而 CAN FD 正是為了應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)而出現(xiàn)。文章接下來(lái)將介紹 CAN FD 的一些新特點(diǎn)以及使用注意事項(xiàng)，最后將使用 Toradex Apalis iMX8QM 和 Verdin iMX8M Mini 計(jì)算機(jī)模塊簡(jiǎn)單演示 CAN FD 使用。

相比于傳統(tǒng) CAN 協(xié)議，CAN FD 最大的兩個(gè)特點(diǎn)是采用可變速率和單幀最長(zhǎng) 64 字節(jié)數(shù)據(jù)，另外包括控制位和 CRC 校驗(yàn)的變化。

圖 1：傳統(tǒng) CAN 和 CAN FD 幀

控制位的首位由傳統(tǒng) CAN 的 RTR 變?yōu)?/span> CAN FD 的 RRS，該位始終是顯性（0）。第三個(gè)控制位在傳統(tǒng) CAN 中屬于保留功能，在 CAN FD 位 FDF，位隱性（1）。FDF 位 1 時(shí)表示該幀是 CAN FD 格式。在 CAN FD 中緊隨 FDF 還是一個(gè)保留功能，用于將來(lái)的擴(kuò)展。BRS（Bit Rate Switch）位允許 CAN FD 幀以不同的速率進(jìn)行傳輸。如果 BRS 為顯性（0）則該幀采用和仲裁階段（Arbitration Phase）同樣的速率進(jìn)行傳輸，既速率不發(fā)生變化。當(dāng) BRS 為隱性（1），該幀接下來(lái)的部分將以較高的速率傳輸。這里需要注意，并不是整個(gè) CAN FD 幀都用高速率傳輸，如下圖，Data Phase 從 BRS 后的 ESI 位開(kāi)始到 CRC Delimiter 位結(jié)束，該階段的數(shù)據(jù)會(huì)以較高的速率傳輸。

圖 2： CAN FD 幀結(jié)構(gòu)

ESI（Error Status Indicator）通常為顯性（0）。當(dāng)發(fā)送方遇到通訊異常后會(huì)將其置為隱性（1）。DLC 表示該幀中實(shí)際數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，為了于傳統(tǒng) CAN 兼容，DLC 仍然采用 4bit。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于 8 字節(jié)時(shí)，DLC 位的數(shù)值可以直接表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，但超過(guò) 8 字節(jié)時(shí)，由于 4 個(gè)位最高只能表示 15，為了支持 CAN FD 最長(zhǎng) 64 字節(jié)數(shù)據(jù)，這里采用了折中的表示方法。當(dāng)數(shù)據(jù)不超過(guò) 8 個(gè)字節(jié)時(shí)，DLC 仍直接表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。當(dāng)超過(guò) 8 個(gè)字節(jié)，只支持 12 到 64 中部分長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，而非全部的 9 到 64 任一長(zhǎng)度。如下表所示，當(dāng) DLC 為 9 時(shí)，CAN FD 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 12 字節(jié)，DLC 為 12 時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是 24 字節(jié)。

在實(shí)際應(yīng)用中最好選擇上面的其中一種長(zhǎng)度，避免通訊效率降低。如果小于某一種長(zhǎng)度，則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，可以用 0xCC 和 0x55 作為填充字節(jié)，這樣能夠在總線(xiàn)上產(chǎn)生足夠的波形翻轉(zhuǎn)從而使 CAN 節(jié)點(diǎn)保持同步。

在 CAN FD 中根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度會(huì)采用不同的 CRC 校驗(yàn)方案，當(dāng)小于等于 16 字節(jié)是為 CRC-17，當(dāng)數(shù)據(jù)大于 16 字節(jié)后則采用 CRC-21。CRC Delimiter 之后的格式 CAN FD 和傳統(tǒng) CAN 仍保持一致。

CAN FD 雖然具有更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包以及更快的傳輸速度，但是由于引入了更多的位到幀中，幀的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)增加。以同樣發(fā)送 1字節(jié)數(shù)據(jù)包為例，傳統(tǒng) CAN 2.0 標(biāo)準(zhǔn)幀和 CAN FD 標(biāo)準(zhǔn)幀具體組成如上方圖 1 所示。傳統(tǒng) CAN 2.0 標(biāo)準(zhǔn)幀總共位 54 bit，CAN FD 為 70 bit。CAN FD 需要多消耗 16 bit 來(lái)傳送同樣的數(shù)據(jù)。如果 CAN FD 不采用更高的可變速率這就意味著同樣的幀，CAN FD 反而會(huì)要更長(zhǎng)的傳輸時(shí)間。當(dāng) CAN FD 采用可變速率，那么情況將會(huì)變得不一樣。假設(shè) CAN FD 的仲裁速率是 500 Kbps，和傳統(tǒng) CAN 的速率一致，而可變的數(shù)據(jù)傳輸速率提高 8 倍到 4 Mbps。傳統(tǒng) CAN 耗時(shí)為 54 bit/ 500 Kbps = 108 us。CAN FD 中 4 Mbps 的速率只用于傳輸從 ESI 位開(kāi)始到 CRC Delimiter 位之間的數(shù)據(jù)，所以 CAN FD 耗時(shí)為 29 bit/500 Kbps + 41 bit/4 Mbps = 68 us。這里我們看到，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率情況下， CAN FD 即使有更多的幀開(kāi)銷(xiāo)，幀傳輸時(shí)間還是減少了 40 us。更高的傳輸速度有利于發(fā)送節(jié)點(diǎn)更快得完成幀發(fā)送，減少 CAN 總線(xiàn)占用時(shí)間，這對(duì)越長(zhǎng)數(shù)據(jù)的幀會(huì)更加明顯，對(duì) CAN 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性來(lái)講是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

然而提高傳輸速率不僅僅是在使用的時(shí)候設(shè)置一個(gè)參數(shù)，更重要的是保障 CAN 總線(xiàn)物理鏈路層的質(zhì)量?？梢允褂檬静ㄆ饔^(guān)察總線(xiàn)上信號(hào)的質(zhì)量。如果信號(hào)陡峭且清晰，可以嘗試將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到仲裁速率的 2 到 4 倍。測(cè)量點(diǎn)需要遍布總線(xiàn)上多個(gè)位置，信號(hào)在不同位置會(huì)有所差異。線(xiàn)路阻抗的一致性對(duì)信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要。通常在總線(xiàn)交叉點(diǎn)的線(xiàn)纜沒(méi)有發(fā)生物理尺寸變化，并采用具有相同介電常數(shù)的隔離器，阻抗會(huì)保持不變。這可以參考以太網(wǎng)和 USB 中使用的專(zhuān)門(mén)的連接器。當(dāng) CAN FD 采用較高的傳輸速率時(shí)，每處線(xiàn)路分叉，每個(gè)連接器都可能會(huì)影響阻抗，從而引起信號(hào)反射。這些反射信號(hào)的能量最終可以影響 CAN 幀每個(gè)比特位邊緣的抖動(dòng)。

CAN FD 最長(zhǎng) 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)包使用在實(shí)際應(yīng)用中也需要注意。更長(zhǎng)的幀不可避免在傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)占用總線(xiàn)更多的時(shí)間，而這期間其他 CAN 節(jié)點(diǎn)則無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)于實(shí)時(shí)性需求不高的場(chǎng)合，如通過(guò) CAN 總線(xiàn)升級(jí)固件，長(zhǎng)幀能夠以更小的開(kāi)銷(xiāo)完成傳輸。而對(duì)實(shí)時(shí)性有要求的場(chǎng)合，對(duì)長(zhǎng)幀的使用需要有一定的限制。對(duì)于 8 字節(jié)以下的幀， CAN FD 更高的數(shù)據(jù)傳輸速率可以有效降低總線(xiàn)占用時(shí)間，前提是物理鏈路層能夠滿(mǎn)足高速傳輸?shù)囊蟆?/span>

對(duì)于應(yīng)用開(kāi)發(fā) CAN FD 的使用是非常簡(jiǎn)單的。CAN FD 是可以兼容傳統(tǒng) CAN，這意味著原先基于傳統(tǒng) CAN 通信的代碼可以直接運(yùn)行在支持 CAN FD的設(shè)備上，但不使用任何 CAN FD 的新功能。如果需要使用 CAN FD 的可變數(shù)據(jù)速率或者超過(guò) 8 字節(jié)數(shù)據(jù)的幀，那么代碼也只需做簡(jiǎn)單的修改。我們以 Linux 中 SocketCAN 為例，使用 can-utils 代碼進(jìn)行說(shuō)明。在 cansend.c 和 candump.c 中采用 canfd_frame 結(jié)構(gòu)體來(lái)存放需要發(fā)送和接收的 CAN 數(shù)據(jù)。CANFD_MAX_DLEN 為 64，對(duì)應(yīng) CAN FD 最長(zhǎng)的 64 字節(jié)。

然后將 can socket 設(shè)置 CAN FD 格式，使用 setsockopt() 函數(shù)，設(shè)置 CAN_RAW_FD_FRAMES 參數(shù)即可。

在發(fā)送時(shí)將 struct canfd_frame frame 結(jié)構(gòu)體中 len 長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置 CAN FD 定義幾種長(zhǎng)度。

剩余代碼中的操作可以沿用傳統(tǒng) CAN 模式下的方法。最后用下面命令配置 CAN 設(shè)備。這里仲裁速率為 500Kbps，CAN FD 可變數(shù)據(jù)速率為1Mbps，在結(jié)尾添加 fd on 參數(shù)啟用 CAN FD。

接下來(lái)我們將在 Apalis iMX8QM 和 Verdin iMX8M Mini 計(jì)算機(jī)模塊上演示 CAN FD 通信。Apalis iMX8QM  采用 NXP i.MX8 QuadMax 處理器，可以提供 3 路 CAN 接口。Verdin iMX8M Mini 上的 i.MX8 M Mini 處理器本身并不支持 CAN 接口，我們?cè)谀K上添加了一塊 MCP2518 實(shí)現(xiàn) CAN 接口。

Apalis iMX8QM 和 Verdin iMX8M Mini 分別通過(guò) Ixora 和 Dahlia 載板進(jìn)行 CAN 接口互聯(lián)。這兩個(gè)底板上均引出了 CAN 接口，方便用戶(hù)測(cè)試。

Verdin iMX8M Mini 作為發(fā)送端，依次運(yùn)行下面命令，并發(fā)送 4 字節(jié)和 10 字節(jié)長(zhǎng)度的幀。

Apalis iMX8QM 作為接收端。

上面測(cè)試可以看到 Verdin iMX8M Mini 發(fā)送一幀 10 字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，但是 Apalis iMX8QM  在收到了 12 字節(jié)的數(shù)據(jù)。這是 CAN FD 定義沒(méi)有 10 字節(jié)的幀長(zhǎng)，適合發(fā)送 10 字節(jié)的是 12 字節(jié)長(zhǎng)度的幀。所以看到實(shí)際收到的是“11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 00 00”這12 個(gè)字節(jié)，最后兩個(gè)“00 00 ”是填充的數(shù)據(jù)。這部分填充數(shù)據(jù)來(lái)自 lib.c 代碼  memset(cf, 0, sizeof(*cf)); /* init CAN FD frame, e.g. LEN = 0 */

總結(jié)

CAN FD 的新功能為滿(mǎn)足了應(yīng)用對(duì)更加高效的傳輸、更好實(shí)時(shí)性需求，但充分發(fā)揮這些功能還需要從應(yīng)用開(kāi)發(fā)到鏈路設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化。上面我們討論簡(jiǎn)單地討論一些注意事項(xiàng)，以及使用方法，具體的應(yīng)用還要結(jié)合實(shí)際工況做調(diào)整。

參考：

https://www.microcontrol.net/en/know-how/bus-systems/can-fd/

https://www.picoauto.com/library/picoscope/can-bus-serial-protocol-decoding

https://www.can-cia.org/can-knowledge/can/can-fd/#:~:text=CAN%20FD%20data%20frames%20with,support%20remotely%20requested%20data%20frames.&text=The%20control%20field%20comprises%20additional,the%20Classical%20CAN%20data%20frames.

https://www.eecs.umich.edu/courses/eecs461/doc/CAN_notes.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/CAN_FD                                    

https://www.kvaser.com/wp-content/uploads/2016/04/can-fd-considerations-for-different-stakeholders.pdf

https://www.kvaser.com/wp-content/uploads/2016/10/comparing-can-fd-with-classical-can.pdf