車載網絡技術革新-CAN FD淺析

　　通過幀控制場的EDL位確定幀格式后發送DLC，并從g17、g21以及標準CAN幀多項式中選擇正確的多項式計算CRC序列。接收節點也選擇相應的多項式計算CRC序列并決定是否對發送幀進行應答。
　　2.3CAN FD位時間轉換
　　CAN FD有兩套位時間配置寄存器，應用于仲裁段的第一套的位時間較長，而應用于數據段的第二套位時間較短。首先對BRS位進行采樣，如果顯示隱性位，即在BRS采樣點轉換成較短的位時間機制，并在CRC界定符位的采樣點轉換回第一套位時間機制。為保證其他節點同步CAN FD選擇在采樣點進行位時間轉換。
　　2.4收發器延遲補償
　　目前應用的CAN收發器存在回路延遲，延遲時間最高可達255ns。CAN FD協議中，幀的數據段位時間有可能小于255ns，如果當采樣點到來時發送節點還沒有收到其發出的位，發送節點就會報錯，因此 CAN FD通過可選擇性的收發器延遲補償機制避免這種情況發生。發送節點將這種補償機制應用到幀的高速數據段，接收節點不需要收發器延遲補償。
　　在收發器延遲補償機制中，定義一個次級采樣點SSP(Second Sample Point)并在接收位的SSP處比發送的位值進行比較檢查位錯誤，同時忽略原來采樣點的位值。CAN FD協議控制器在位速率轉換之前的EDL位到r0位的下降沿上測量收發器的回路延遲Trv_Delay，延遲Trv_Delay通過計數器測量，起始于CAN_tx的r0下降沿終止于CAN_rx的r0下降沿。
　　Trv_Delay加上一個可變的偏移量(例如1/2高速位時間)即為SSP的位置。如果SSP發生在發送位發送結束后，那么將發送位緩存等待SSP到達再進行位錯誤檢查。如果在SSP處檢測到位錯誤，那么將這個位錯誤的信息緩存，直到下一個采樣點到達時才對位錯誤做處理，此時位速率轉換回仲裁段的低速率進行數據傳輸。如果直到CRC界定符的采樣點到達都沒有檢測到位錯誤，CAN FD協議控制器轉換位速率并返回到標準位錯誤檢測模式。
　　2.5硬件支持
　　在CAN總線基礎上發展起來的CAN FD協議，實際應用時需要對原來的CAN網絡物理層做一些改變，對軟件和應用程序的修改較小。一般地要在車載CAN網絡中進行CAN FD通信時，需要添加CAN FD控制器。目前CAN FD控制器還沒有產品問世，Bosch在實驗室中將CAN IP模塊嵌入FPGA中實現了CAN FD控制器的功能，這種方法目前也主要用于仿真驗證和實驗室測試。CAN IP模塊如圖3所示，它由2個CAN FD IP core在FPGA上運行，上層由CPU控制。

　　圖3 CAN IP Module結構圖

　　NXP宣布將在2013年上半年發布TJA1145 FD收發器的樣片，這款收發器支持CAN局部網絡（PN, Partial Networking）并且配置了額外的寄存器可以忽略CAN FD消息，這為CAN FD節點和傳統的CAN節點兼容于一個網絡提供了條件，即CAN FD節點通信時，CAN節點進入睡眠狀態，CAN FD通信結束后由一個CAN喚醒消息將CAN節點喚醒。同時NXP宣布將在2013年第三季度發布SJA1145樣片，這是一款集成片上收發器的CAN FD協議控制器，支持64個字節的傳輸負載和2M的傳輸速率，但是SJA1145需要精確的外部時鐘。Etas和Vector等工具廠商也躍躍欲試，發布了其支持CAN FD總線通信的工具及其發展計劃。
　　3.CAN FD應用意義
　　CAN FD可以有效提高車載網絡的數據傳輸速率，并且保持現有軟硬件不做大的改變。圖4為Bosch提供的位速率增長曲線，從曲線可以看出當仲裁段的位速率一定時，隨著數據段速率的增大數據幀的平均位速率是逐漸增大的，隨著幀數據場長度的增加平均位速率也是變大的。當仲裁段位速率選定1Mbit/s、數據場長度為64個字節、數據段的位速率為8Mbit/s時，CAN FD總線的帶寬可以提高到5 Mbit/s多，這是相當可觀的[4]。

　　圖4 CAN FD數據幀平均位速率

　　Bosch還提供了一組數據：在軟件下載時標準CAN幀速率為500Kbit/s時，傳輸4個8字節的CAN幀并包括15%的填充位，其在總線上耗時1021μs；而如果傳輸1個32字節的CAN FD幀并包括15%的填充位其在總線上耗時僅為229μs，節省了3/4的傳輸時間。同時由于數據場的加長，即使長報文也無需分成多包發送，有利于總線傳輸層管理。
　　CAN FD顯著提高了車載CAN網絡的帶寬，更長的數據場長度可以避免使用多包傳輸。CAN FD的成本與CAN總線基本接近，并且對目前的軟件和應用程序改動較小，CAN FD保留了車載CAN網絡的物理層和拓撲結構，能夠提供CAN總線網絡的無縫升級，這些優越性為CAN FD提供了良好的發展前景。
　　4.結語
　　CAN FD是一種新協議，它保持了CAN協議的核心特征，并且擁有更高的帶寬以及更長的數據長度，CAN FD在車載網絡中可以沿用CAN總線的收發器，隨著技術的發展也可以采用專用收發器，當采用CAN總線收發器時，其傳輸速率期望值為2.5 Mbit/s，相當于低速的FlexRay車載網絡[5]。目前CAN FD還處于引入階段，CAN FD通信可以用于特定用途，例如軟件下載，此時其他不支持CAN FD的節點就保持睡眠狀態。采用CAN FD協議的ECU無需改變應用程序以及CAN物理層便可用于現有網絡系統，CAN網絡向CAN FD網絡過渡是簡單方便而且易于實現的。
參考文獻
　　[1] Robert Bosch GmbH.CAN with Flexible Data-Rate, Version 1.1; Date Aug.2011，http://www.semiconductors.bosch.de/media/...pdf/canliteratur/can_fd.pdf
　　[2] G. Cena, A. Valenzano. Overclocking of Controller Area Networks. IEE Electronics Letters, vol. 35, 1999, pp. 1923-1925, No. 22, 28th October.
　　[3] CRC for CAN with flexible data rate(CAN FD)[EB/OL]. [2012-02-21].http://www.bosch-semicon-ductors.de/media/pdf/ipmodules_1/Whitepaper_CRC_CAN_FD_20111128.pdf.
　　[4] VeCo12_8_NewBusSystems_3_Lindenkreuz_Lecture.pdf
　　[5] Florian Hartwich, Robert Bosch GmbH.CAN with Flexible Data-Rate. The 13th International CAN Conference 2012.