車載網(wǎng)絡(luò)CAN FD 總線的應(yīng)用前景和技術(shù)研究

鄭志超，南金瑞，南江峰

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

0 引 言

CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線，已經(jīng)在汽車上應(yīng)用多年[1]。CAN總線具有傳輸速度快、高可靠性特點(diǎn)，符合ISO11898、SAE1939 及 ISO11783 等 國 際 標(biāo) 準(zhǔn)[2]。 CAN 總 線 是 一 種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制和非破壞性仲裁機(jī)制[3]，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。CAN 總線經(jīng)BOSCH 公司發(fā)布并在行業(yè)推廣后，逐步成為車載領(lǐng)域的主流總線，并得到汽車主機(jī)廠和供應(yīng)商的大力支持。

目前，汽車行業(yè)針對(duì)基于CAN 通信控制器的開發(fā)，已有成熟的開發(fā)體系和配套工具，如德國Vector 公司開發(fā)的CAN 總線應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)軟件CANoe。但是，CAN總線的通信協(xié)議發(fā)布已有多年，面對(duì)目前汽車發(fā)展出現(xiàn)的新應(yīng)用場景，其局限性表現(xiàn)得越來越明顯。新能源汽車和自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)和發(fā)展，一方面，導(dǎo)致汽車對(duì)總線吞吐量的要求越來越高，例如電動(dòng)汽車的BMS 控制器傳輸數(shù)據(jù)量巨大，造成總線負(fù)載持續(xù)增長（達(dá)到60%）；另外一方面，對(duì)總線通信的實(shí)時(shí)性要求越來越苛刻，例如，作為一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)，在多國新車規(guī)程中已將其納入主動(dòng)安全測試內(nèi)容[4]的緊急電子制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求非常高。這直接促進(jìn)了行業(yè)對(duì)新型總線的研究，除CAN FD 總線外，車用領(lǐng)域正在研究的還有 FlexRay、Most、Ethernet、LVDS 等。汽車行業(yè)覆蓋的產(chǎn)業(yè)鏈較長，企業(yè)數(shù)量龐大，任一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的變動(dòng)，都具有“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的巨大影響。CAN FD總線由BOSCH 公司在CAN 總線基礎(chǔ)上提出，它保留了CAN 通信的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了CAN 通信存在的不足。相比較而言，CAN FD 有巨大的潛力成為下一代汽車總線。本文在介紹CAN FD 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著力分析CAN FD 未來的應(yīng)用前景和在工程化應(yīng)用方面的技術(shù)。

1 CAN FD 總線特點(diǎn)

CAN FD 總線在CAN 總線基礎(chǔ)上發(fā)展而來。CAN總線是一種基于消息廣播模式的串行通信總線。起初用于汽車ECU（電子控制單元）之間通信，后來因簡單、可靠等特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床等。CAN 總線采用差分串行通信（CANH 和 CANL），抗干擾能力較強(qiáng)。當(dāng)CANH 與CANL 均為2.5 V 時(shí)，總線為隱性電平；CANH（3.5 V）和CANL（1.5 V）壓差為2 V時(shí)為顯性電平。

CAN FD 最早由BOSCH 公司提出，隨后發(fā)展迅速，國外許多企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了CAN FD 相關(guān)工具和器件的開發(fā)。CAN FD 的發(fā)展也得到多家廠商支持，目前已經(jīng)有大眾、戴姆勒、通用汽車、英飛凌、NI 等多家廠商為CAN FD 標(biāo)準(zhǔn)化推廣提出意見，并且2020—2022 年量產(chǎn)的很多車型都會(huì)采用CAN FD 技術(shù)。

CAN FD 總線相較于CAN 總線，有一些新特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)改善數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性十分重要。

1.1 更長的數(shù)據(jù)場

如圖1所示，以CAN和CAN FD的數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀為例進(jìn)行比較，在幀結(jié)構(gòu)中其他位場幾乎沒有改變（增加FDF、BRS、ESI 位和 CRC 場有一些改變）的情況下，數(shù)據(jù)場由原先的最多8 個(gè)字節(jié)擴(kuò)展到最多64 個(gè)字節(jié)。每一幀CAN FD 報(bào)文的最大有效數(shù)據(jù)傳輸效率相較CAN 報(bào)文，接近后者的8 倍，有了很大提升。

圖1 CAN 總線與CAN FD 總線數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀的比較

1.2 更高的傳輸速率

傳統(tǒng)CAN 總線常用的通信速率是250 Kb/s 或500 Kb/s，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s（此時(shí)通信距離最長為40 m）[5]。CAN FD 的數(shù)據(jù)波特率根據(jù)BRS 的顯隱性靈活可變，在數(shù)據(jù)段中可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15 Mb/s 的通信波特率。從控制場中的BRS 位到ACK 場之前（含CRC 分界符）為可變速率，其余部分為原CAN 總線所用速率[6]。速率測試實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為ATA6561 的收發(fā)器，受限于收發(fā)器的最大速率，CAN FD 成功調(diào)通通信速率可達(dá)到5 Mb/s，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)CAN 總線的速率。

1.3 報(bào)文格式變化

CAN FD 相比 CAN 在控制場增加了 FDF、BRS、ESI位。FDF 位用于標(biāo)識(shí)是否為CAN FD 報(bào)文，隱性表示CAN FD 報(bào)文，顯性表示CAN 報(bào)文；BRS 位用于控制是否切換數(shù)據(jù)段部分的波特率，隱性則切換，否則跟仲裁段保持一致；ESI 位用于標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前錯(cuò)誤狀態(tài)，顯性為主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)，隱性為被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)。

1.4 改善的CRC 校驗(yàn)方式

無論是傳統(tǒng)CAN 總線還是CAN FD 總線，都以CRC場來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。傳統(tǒng)的CAN 總線，由于位填充對(duì)CRC 的干擾，造成錯(cuò)幀漏檢率較高，降低了通信品質(zhì)。CAN FD 對(duì)此作了改進(jìn)，對(duì)CRC-17（數(shù)據(jù)場長度不超過16 B）、CRC-21（數(shù)據(jù)場長度超過16 B）的校驗(yàn)采用固定位填充方式，具體如表1 所示。

表1 CAN FD 報(bào)文CRC 校驗(yàn)場填充方式

2 CAN FD 的應(yīng)用前景

2.1 CAN FD 總線的低負(fù)載率

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求合理設(shè)計(jì)報(bào)文的周期、數(shù)量及優(yōu)先級(jí)。推薦平均負(fù)載率Ut≤0.3，一般能夠保證該CAN 通道內(nèi)報(bào)文傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求[7]。當(dāng)前，新能源電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，市場份額逐年提升。動(dòng)力電池是其核心部件，由于電池模塊單體眾多，需要采集較多的電壓、電流和溫度等信息。BMS 主控與從控之間的通信網(wǎng)絡(luò)適合用于作為驗(yàn)證總線網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的應(yīng)用場景。

如圖2 所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，BMS 管理系統(tǒng)共有1 個(gè)主控，10 個(gè)從控，從控以10 ms 的間隔周期性向總線發(fā)送報(bào)文，主控負(fù)責(zé)接收。通過在CANoe 軟件中進(jìn)行仿真，分別設(shè)計(jì)CAN 網(wǎng)絡(luò)和CAN FD 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)信息，比較總線的負(fù)載率。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

仿真結(jié)果表明，在傳統(tǒng)的CAN 網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)載率已接近50%，而CAN FD 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率剛超過5%，負(fù)載率顯著降低。為了進(jìn)一步比較，制作實(shí)物節(jié)點(diǎn)并搭建測試臺(tái)架，實(shí)物節(jié)點(diǎn)采用的單片機(jī)型號(hào)是Atmel 公司的ATSAMC21J18A，收發(fā)器型號(hào)為TJA1145T/FD。測試結(jié)果表明，在CAN 網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)載率接近46%，CAN FD 網(wǎng)絡(luò)則剛超過8%。

2.2 CAN FD 總線的刷寫速率

汽車電控系統(tǒng)在使用過程中，功能常需要更新迭代，因此需要對(duì)控制器進(jìn)行程序燒寫及更新。利用CAN 通信方式對(duì)控制器在線編程升級(jí)是常用的方法，通過開發(fā)BootLoader 的程序引導(dǎo)與終端PC 相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)控制器程序在線更新[8]。因此，CAN FD 總線的刷寫速率對(duì)于其應(yīng)用前景也十分重要。

刷寫同樣的程序，時(shí)間主要取決于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，這里以10 ms 間隔發(fā)送報(bào)文。

在圖3 中可以看到，當(dāng)CAN FD 的數(shù)據(jù)場使用64 個(gè)字節(jié)長度時(shí)，時(shí)間顯著降低，這對(duì)于汽車軟件的在線升級(jí)意義重大。

圖3 CAN 與CAN FD 總線刷寫速率測試

2.3 CAN FD 應(yīng)用場景

由于汽車各電控單元對(duì)總線通信吞吐量和傳輸速率需求不同，同時(shí)各種汽車總線的通信特性和應(yīng)用成本也有所不同。綜合滿足使用需求和降低應(yīng)用成本考慮，往往將多種總線結(jié)合使用。例如，燈光、門鎖和電動(dòng)座椅的控制器采用LIN 總線通信，車身、底盤、動(dòng)力、儀表仍采用Body-CAN、Chassis-CAN、PT-CAN、Info-CAN 多路CAN 總線通信。對(duì)于高級(jí)輔助駕駛（ADAS）和電池管理系統(tǒng)（BMS）及診斷口（Tester）可采用CAN FD 總線通信，對(duì)于媒體娛樂設(shè)備使用以太網(wǎng)（Ethernet）通信。各種總線通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）進(jìn)行信息交互，圖4 是CAN FD 在某款量產(chǎn)車型的典型應(yīng)用。

圖4 CAN FD 的典型應(yīng)用

3 CAN FD 的工程化應(yīng)用技術(shù)

3.1 安全性設(shè)計(jì)

在進(jìn)行CAN FD 總線通信速率測試時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)主頻低于CAN FD 數(shù)據(jù)場的傳輸速率時(shí)，收到的報(bào)文出現(xiàn)錯(cuò)誤，但是CRC 校驗(yàn)并沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然這種情況在實(shí)際應(yīng)用中少見，但是仍會(huì)降低數(shù)據(jù)通信的安全性和可靠性。為解決上述問題，提高總線網(wǎng)絡(luò)通信安全，CAN FD 可在數(shù)據(jù)場增加安全設(shè)計(jì)，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

通過對(duì)數(shù)據(jù)場的前62 個(gè)字節(jié)進(jìn)行CRC-16 校驗(yàn)，得到的16 位校驗(yàn)碼高8 位和低8 位分別存放在數(shù)據(jù)場的第63 B和64 B。CRC-16校驗(yàn)多項(xiàng)式為x16+x15+x2+1，校驗(yàn)碼的初始值為0，校驗(yàn)采用查表方法。例如接收到的一幀報(bào)文前62 個(gè)字節(jié)均為0xAA，最后2 個(gè)字節(jié)0xFE和0xD5 即為校驗(yàn)碼。經(jīng)過增加CRC-16 校驗(yàn)，上述情況不再出現(xiàn)。

3.2 CAN FD 與 CAN 同一網(wǎng)絡(luò) 兼容

鑒于不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不盡相同，并且市場上有規(guī)模數(shù)量龐大的基于CAN 通信的微控制器，CAN 總線到CAN FD 的全面升級(jí)短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。在同一網(wǎng)絡(luò)CAN 節(jié)點(diǎn)和CAN FD 節(jié)點(diǎn)的兼容，對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)性能的提升和CAN FD 總線的推廣和工程化應(yīng)用具有十分重大的意義。

如圖5 所示，在同一網(wǎng)絡(luò)中，CAN FD 節(jié)點(diǎn)能夠收發(fā)CAN 或CAN FD 報(bào)文，但是當(dāng)總線上有CAN FD 報(bào)文時(shí)，CAN 節(jié)點(diǎn)因不能識(shí)別，將向總線發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)文，影響正常通信。目前，為實(shí)現(xiàn)CAN 和CAN FD 控制器在車上同時(shí)存在，主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：第一種是CAN 節(jié)點(diǎn)和CAN FD 節(jié)點(diǎn)分網(wǎng)運(yùn)行，通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互；第二種方式是對(duì)CAN 節(jié)點(diǎn)采用具有濾波模式的收發(fā)器，通過CAN FD Shield 技術(shù)能夠拒收同一網(wǎng)絡(luò)上的CAN FD 報(bào)文；第三種方式與第二種類似，CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采用具有休眠喚醒功能的收發(fā)器，通過向總線發(fā)送特定的報(bào)文使收發(fā)器進(jìn)入休眠和喚醒狀態(tài)。

圖5 CAN 與CAN FD 總線的兩種狀態(tài)

經(jīng)過測試，向總線上發(fā)送一幀CAN 喚醒報(bào)文，至CAN 節(jié)點(diǎn)成功發(fā)出第一條報(bào)文，時(shí)間間隔不超過20 ms。兩種狀態(tài)切換非常高效，能夠?qū)崿F(xiàn)兼容應(yīng)用。

另外，廣州致遠(yuǎn)電子有限公司通過采用MCP2517FD（一款SPI 轉(zhuǎn)CAN FD 控制器模塊），將微控制器擴(kuò)展成CAN FD 控制器，從而實(shí)現(xiàn)CAN FD 通信[9]。但是需要原控制器支持并新提供一路SPI 接口，不僅硬件更改，軟件層面也需大量的更改。綜合比較而言，采用具有休眠功能的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN 和CAN FD 在同一網(wǎng)絡(luò)的兼容性價(jià)比最高。

3.3 終端電阻匹配方法

為充分驗(yàn)證CAN FD 網(wǎng)絡(luò)的工程化應(yīng)用，根據(jù)國內(nèi)某整車廠提供的汽車級(jí)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信性能測試。其中涉及的一個(gè)重要問題就是CAN FD 網(wǎng)絡(luò)的終端電阻匹配問題。不同于傳統(tǒng)CAN 網(wǎng)絡(luò)終端電阻120 Ω 的經(jīng)驗(yàn)匹配方法，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同的位置布置120 Ω，60 Ω，30 Ω 等不同電阻或者組合布置，很難保證所有節(jié)點(diǎn)都能正常參與通信。

由于CAN 協(xié)議規(guī)定，顯性與隱性差分電平的識(shí)別要在一定閾值范圍內(nèi)[10]，因此研究終端電阻的匹配對(duì)總線物理信號(hào)的影響，并通過優(yōu)化算法匹配電阻，改善信號(hào)質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)通信性能非常重要。比較可行的方法是在Saber 軟件中搭建電路模型，在Matlab 中導(dǎo)入仿真數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化算法得到新的電阻值，代入Saber 模型中進(jìn)行進(jìn)一步仿真。這里提出的電阻優(yōu)化算法是基于粒子群的參數(shù)優(yōu)化算法，聯(lián)合Matlab 和Saber軟件進(jìn)行仿真如圖7 所示。在之前的研究中，已成功將聯(lián)合仿真應(yīng)用于改善CAN 網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。由于軟件的限制，在Saber 中暫時(shí)不能加載CAN FD 收發(fā)器模型，希望能夠在以后得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 汽車級(jí)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 聯(lián)合仿真匹配終端電阻流程圖

4 結(jié) 語

CAN FD 總線具有傳輸速率快、數(shù)據(jù)場較長和改善的CRC 檢驗(yàn)方式等特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)目前CAN 通信應(yīng)對(duì)當(dāng)前新應(yīng)用場景存在的不足，有潛力成為新一代總線；CAN FD 能夠降低總線負(fù)載率，提高程序在線升級(jí)刷寫速度，在車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)CAN FD 和CAN 在同一網(wǎng)絡(luò)的兼容，增加CRC 校驗(yàn)設(shè)計(jì)提高安全性，通過聯(lián)合仿真方法優(yōu)化匹配終端電阻保證通信信號(hào)質(zhì)量，推動(dòng)CAN FD 總線實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。