CANFD協(xié)議實用指南

CANFD合同實用指南“您與否需要一份CANFD合同的簡要的實用指南？”---來自虹科的問候。在本指南中，我們會介紹CANFD（CANFlexibleData-rate），涉及：CANFD框架，開銷和效率，示例應(yīng)用和CSS的CANFD統(tǒng)計儀案例，以及CANFD的發(fā)展趨勢。CANFD看起來很復(fù)雜，因此，本指南旨在提供一種通俗易懂的視覺介紹，以全方面理解CANFD。為什么會出現(xiàn)CANFD？CAN合同自1986年問世以來就很流行：幾乎任何移動的機(jī)器如今都使用CAN，無論是汽車，卡車，輪船，飛機(jī)還是機(jī)器人。但是隨著當(dāng)代科技的興起，對“傳統(tǒng)”的CAN合同（ISO11898-1:中使用的官方術(shù)語）的規(guī)定越來越高：汽車功效的高速發(fā)展正在推動數(shù)據(jù)的大爆炸網(wǎng)絡(luò)越來越受到1Mbit/s帶寬的限制為了應(yīng)對這些狀況，OEM發(fā)明的復(fù)雜且又昂貴的解決方案具體而言，傳統(tǒng)CAN的開銷很大（>50％），由于每個CAN數(shù)據(jù)幀只能包含8個數(shù)據(jù)字節(jié)。另外，網(wǎng)絡(luò)速度限制為1Mbit/s，從而限制了數(shù)據(jù)生成功效的實現(xiàn)。CANFD解決了這些問題，使其含有前瞻性。什么是CANFD？CANFD合同是由Bosch以及行業(yè)專家預(yù)研開發(fā)的，并于公布。通過原則化對其進(jìn)行了改善，現(xiàn)已納入ISO11898-1:。原始的BoschCANFD版本（非ISOCANFD）與ISOCANFD是不兼容。CANFD含有四個重要優(yōu)點：增加了數(shù)據(jù)的長度CANFD每個數(shù)據(jù)幀最多支持64個數(shù)據(jù)字節(jié)，而傳統(tǒng)CAN最多支持8個數(shù)據(jù)字節(jié)。這減少了合同開銷，并提高了合同效率。增加傳輸?shù)乃俣菴ANFD支持雙比特率：與傳統(tǒng)CAN同樣，標(biāo)稱（仲裁）比特率限制為1Mbit/s，而數(shù)據(jù)比特率則取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?收發(fā)器。事實上，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)5Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率。更加好的可靠性CANFD使用改善的循環(huán)冗余校驗（CRC）和“受保護(hù)的填充位計數(shù)器”，從而減少了未被檢測到的錯誤的風(fēng)險。這在汽車和工業(yè)自動化等安全攸關(guān)的應(yīng)用中至關(guān)重要。平滑過渡在某些特定的狀況下CANFD能用在僅使用傳統(tǒng)CAN的ECU上，這樣就能夠逐步引入CANFD節(jié)點，從而為OEM簡化程序和減少成本。事實上，與傳統(tǒng)CAN相比，CANFD能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)帶寬提高3到8倍，從而為數(shù)據(jù)的增加提供了一種簡樸的解決方案。CANFD是怎么工作的？CANFD看起來很簡樸：加緊數(shù)據(jù)傳輸速度，并讓每個消息的信息量增加，對嗎？但是事實上，并不是那么簡樸。下面我們概述了CANFD的解決方案所必須應(yīng)對的重要挑戰(zhàn)。兩個核心的挑戰(zhàn)在查看CANFD數(shù)據(jù)幀之前，我們核心是要理解想要維持的傳統(tǒng)CAN的兩個核心部分：避免核心消息延遲為什么不簡樸地將64個字節(jié)的數(shù)據(jù)打包進(jìn)傳統(tǒng)的CAN里面呢？這樣做能夠減少開銷并簡化消息解釋。然而，如果比特率不變，這也會占用CAN總線更長時間，從而可能延遲帶有核心任務(wù)的更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀。保持CAN線事實上的長度每條消息發(fā)送更多數(shù)據(jù)需要更高的速度。那為什么不加速整個CAN消息（而不僅僅是數(shù)據(jù)段）呢？這是由于“仲裁”：如果2個以上的節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則仲裁將決定哪個節(jié)點含有優(yōu)先權(quán)?！皟?yōu)勝者”繼續(xù)發(fā)送（無延遲），而其它節(jié)點會退出仲裁過程并轉(zhuǎn)變成接受方。有關(guān)“位時間”在仲裁過程中，“位時間”在每個位之間提供足夠的延遲，以允許網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點做出反映。為確保在位時間內(nèi)達(dá)成每個節(jié)點，以1Mbit/s的速度運行的CAN網(wǎng)絡(luò)的最大長度應(yīng)為40米（事實上為25米）。加緊仲裁段的速度會將總線最大長度減少到不適宜的長度水平。另首先，仲裁段之后有一條“空曠的高速公路”，可在數(shù)據(jù)傳輸期間（只有一種節(jié)點在驅(qū)動總線時）實現(xiàn)高速傳輸。在ACK時隙之前（當(dāng)多個節(jié)點確認(rèn)對的接受數(shù)據(jù)幀時）速度需要減少到標(biāo)稱比特率。因此，有必要找到一種辦法，只在數(shù)據(jù)傳輸過程中提高速度。解決方案：CANFD框架CANFD合同引入了通過調(diào)節(jié)的CAN數(shù)據(jù)幀，以實現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)字節(jié)和靈活的比特率。下面我們比較一種11位的傳統(tǒng)CAN幀與一種11位的CANFD幀（同時也支持29位）：下面我們一步一步地討論這些差別：RTRvs.RRS：傳統(tǒng)CAN中使用了遠(yuǎn)程傳輸請求（RTR）來識別數(shù)據(jù)幀和對應(yīng)的遠(yuǎn)程幀。在CANFD中，根本不支持遠(yuǎn)程幀，遠(yuǎn)程請求替代（RRS）始終是顯性（0）。r0vs.FDF：在傳統(tǒng)CAN中，r0為保存顯性（0），在CANFD中，稱為FDF，為隱性（1）。在r0/FDF位之后，CANFD合同增加了“3個新位”。請注意，不含有CANFD功效的節(jié)點在FDF位之后會產(chǎn)生錯誤幀。res：這個新的保存位起著與r0相似的作用——也就是說，將來它能夠被設(shè)立為隱性(1)來表達(dá)一種新的合同。BRS：比特率開關(guān)（BRS）可覺得顯性（0），這意味著CANFD數(shù)據(jù)幀以仲裁速率（即最高1Mbit/s）發(fā)送。將其設(shè)立為隱性（1）意味著數(shù)據(jù)幀的其它部分以更高的比特率（最高5Mbit/s）發(fā)送。ESI：錯誤狀態(tài)批示器（ESI）位默認(rèn)為顯性（0），即“錯誤有效”。如果發(fā)送器變?yōu)椤氨粍渝e誤”，則將隱性（1）表達(dá)它處在被動錯誤模式。DLC：像在傳統(tǒng)CAN中同樣，CANFDDLC是4位，表達(dá)幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。上表顯示了這兩種合同如何始終使用多達(dá)8個數(shù)據(jù)字節(jié)的DLC。為了維持4位DLC，CANFD使用從9到15的其它7個值來表達(dá)所使用的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（12、16、20、24、32、48、64）。SBC：填充位計數(shù)（SBC）在CRC之前，由3個格雷編碼位和一種奇偶校驗位構(gòu)成。隨即的固定填充位能夠視為第二個奇偶校驗位。添加了SBC以提高通信可靠性。CRC：傳統(tǒng)CAN中的循環(huán)冗余校驗（CRC）為15位，而在CANFD中為17位（最多16個數(shù)據(jù)字節(jié)）或21位（20-64個數(shù)據(jù)字節(jié)）。在傳統(tǒng)CAN中，CRC中能夠包含0到3個填充位，而在CANFD中，總是有四個固定填充位以提高通信可靠性。ACK：CANFD數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段（也稱為有效負(fù)載）停止在ACK位，這也標(biāo)志著可變比特率的結(jié)束。CANFD與CAN的開銷和數(shù)據(jù)效率的對比與傳統(tǒng)CAN相比，CANFD的新增功效增加了諸多額外的位，CANFD如何能高效地減少開銷？答案是：它并沒有。請看下面3個數(shù)據(jù)字節(jié)的傳統(tǒng)CAN與CANFD的可視化圖。事實上，超出8個數(shù)據(jù)字節(jié)前，CANFD的效率都不會超出傳統(tǒng)CAN。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)長度向64個數(shù)據(jù)字節(jié)靠攏時，效率是從50％提高至90％。對速度的需要：采用啟動比特率轉(zhuǎn)換（BRS）如上圖可知，CANFD以常規(guī)速度發(fā)送64個數(shù)據(jù)字節(jié)將阻塞CAN總線，減少實時性能。為理解決這個問題，能夠啟用比特率切換，允許更高的速率（例如5Mbit/s的數(shù)據(jù)段波特率對比仲裁段的1Mbit/s）發(fā)送有效載荷。上面我們以圖解方式可視化了3個數(shù)據(jù)字節(jié)和64個數(shù)據(jù)字節(jié)方案的效果。注意，較高的速度合用于以BRS位開始并以CRC分隔符結(jié)束的數(shù)據(jù)幀部分。另外，當(dāng)今大多數(shù)車輛使用0.25-0.5Mbit/s，這意味著以5Mbit/s的速度，CANFD將是有效載荷傳輸速度的10倍。有關(guān)傳統(tǒng)CAN和CANFD節(jié)點的結(jié)合如前所述，傳統(tǒng)CAN和CANFD節(jié)點能夠在某些條件下混合使用。這樣就能夠逐步向CANFD遷移，而不必一次切換每個ECU。存在兩種狀況：100％CANFD系統(tǒng)：在這里，CANFD控制器能夠自由混合傳統(tǒng)CAN和CANFD數(shù)據(jù)幀。某些遺留節(jié)點是傳統(tǒng)CAN：在此，CANFD控制器能夠切換到典型CAN通信，以避免與典型CAN節(jié)點通信參加錯誤幀。另外，在刷寫ECU時，傳統(tǒng)的CAN節(jié)點可能會關(guān)閉以允許臨時轉(zhuǎn)換為CANFD通信。CANFD最大的比特率是多少？CANFD的一種令人困惑的方面是有效負(fù)載階段的最大比特率，由于不同的文章提到了不同的級別。有人指出，實際應(yīng)用中能夠達(dá)成8Mbit/s，理論上能夠達(dá)成15Mbit/s。其它則規(guī)定最高為12Mbit/s。另外，戴姆勒指出，超出5Mbit/s的速度是值得懷疑的，既沒有原則，又由于低成本的汽車以太網(wǎng)（10BASE-T1）有望限制對CANFD的更高需求。那么什么是對的的呢?這得看狀況，從ISO11898-2（收發(fā)器芯片原則）來看，它指定了兩個對稱參數(shù)集。推薦使用那些含有改善的對稱參數(shù)，普通宣傳為5mbit/s的收發(fā)器?？蛇_(dá)成的數(shù)據(jù)相位比特率取決于許多因素。最重要的一項是所需的溫度范疇。刷寫ECU時不需要保持低溫狀態(tài)。這意味著對于刷寫ECU，可能會達(dá)成12Mbit/s。另一種重要的比特率限制是由所選的拓?fù)湟l(fā)的。對比長分支甚至星形的混合拓?fù)?，短分支的總線拓?fù)淠軌蛎黠@提高比特率。對于-40攝氏度至+125攝氏度的溫度范疇，大多數(shù)多分支總線線路網(wǎng)絡(luò)被限制為2Mbit/s。CiA在CiA601-3網(wǎng)絡(luò)設(shè)計建議中提供了適宜的經(jīng)驗法則。這涉及在數(shù)據(jù)階段設(shè)立采樣點的建議。CANFD計算器工具：效率和比特率要具體理解CANFD效率和平均比特率，我們建議您查一下我們的CANFD計算器(可向虹科咨詢索要CANFD計算器)。這個CANFD計算器是一種在線可編輯的表格，能夠根據(jù)顧客輸入不同的報文內(nèi)容進(jìn)行CAN和CANFD的效率對比，同時會提供對應(yīng)的直觀效率曲線。CANFD的應(yīng)用場景介紹簡而言之，CANFD以更快的速度解決更多的數(shù)據(jù)。這對于某些日益有關(guān)的用例是至關(guān)重要的:電動汽車電動汽車和混合動力汽車使用規(guī)定更高比特率的新動力總成概念。新的控制單元涉及到DC/DC逆變器、電池、充電器以及增程器等，從而增加了復(fù)雜性。到2025年，預(yù)計所需的比特率將超出CAN，隨著電動汽車的爆炸性增加，這可能是最先應(yīng)用CANFD的領(lǐng)域。ECU刷寫車載軟件變得越來越復(fù)雜。因此，通過例如OBD2端口執(zhí)行ECU固件更新需要花幾個小時。使用CANFD，能夠使這類過程的速度提高4倍以上。該用例始終是汽車OEM需求CANFD的原始驅(qū)動因素之一。機(jī)器人幾個應(yīng)用程序依賴于時間同時行為。例如多軸機(jī)器人手臂。這類設(shè)備普通使用CANopen，并且每個控制器都需要與時間同時發(fā)送多個CAN幀（PDO）（不會受到較高優(yōu)先級幀的干擾。通過轉(zhuǎn)換為CANFD，原有多幀的數(shù)據(jù)能夠通過單幀發(fā)送，從而提高效率。ADAS和安全駕駛乘用車和商用車中越來越多地采用高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）。這給典型CAN的總線負(fù)載帶來了壓力，而ADAS是提高安全性的核心。在這里，CANFD將在很快的將來成為增強安全駕駛的核心。客車和貨車客車和貨車使用較長的CAN總線（10-20米）。因此普通它們基于低速比特率（根據(jù)J1939-14，為250kbit/s或500kbit/s）。在這里，即將到來的J1939FD

合同有望在商用車功效方面實現(xiàn)重大改善，其中涉及例如ADAS。加密CAN總線如近來的CAN黑客攻擊所示，傳統(tǒng)CAN容易受到攻擊。如果黑客能夠訪問CAN總線（例如無線），則能夠關(guān)閉核心功效。通過安全車載通信（SecOC）模塊進(jìn)行的CANFD身份驗證可能是密鑰推出的核心。CSS統(tǒng)計CANFD數(shù)據(jù)應(yīng)用案例隨著CANFD的興起，將有幾個統(tǒng)計CANFD數(shù)據(jù)的使用案例：統(tǒng)計汽車數(shù)據(jù)隨著新車的推出，CANFD數(shù)據(jù)統(tǒng)計儀將成為統(tǒng)計汽車OBD2數(shù)據(jù)的核心重型車隊遠(yuǎn)程信息解決兼容J1939靈活數(shù)據(jù)速率的IoTCANFD統(tǒng)計儀將是將來重型遠(yuǎn)程信息解決的核心預(yù)見性維護(hù)隨著CANopenFD的推出，新的工業(yè)機(jī)械將需要CANFD物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)計器，以協(xié)助預(yù)測和避免故障車輛或者機(jī)器的“黑匣子”一種CANFD統(tǒng)計器能夠作為一種“黑匣子”，例如新的原型車輛，為診療和研發(fā)提供數(shù)據(jù)CANFD的趨勢CANFD預(yù)計在將來幾年將取代傳統(tǒng)CAN：首批支持CANFD的汽車將于/上市最初推出可能會使用2Mbit/s，然后逐步過渡到5Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率CANopenFD已通過Ci