车载网络技术革新-CAN FD浅析

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。
参考文献
　　[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.