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CAN-FD 總線協(xié)議及其車載網(wǎng)絡應用簡介

2015-05-08
作者:李丹

       自1986 年博世(Bosch)首次在SAE 國際大會上展示CAN(Controller Area Network,控制器域網(wǎng)絡)通信方案以來,這種高速、可靠、易用的通信總線就一直被汽車產(chǎn)業(yè)所關注,并得到了絕大多數(shù)整車廠和零部件廠的支持。經(jīng)過了20 多年的發(fā)展與沉淀,CAN 通信目前已經(jīng)成為車載網(wǎng)絡領域最成熟、應用最廣泛的通信總線之一(CAN 的發(fā)展歷程如圖
1 所示)。

捕獲.PNG

圖1 CAN 通信方案的發(fā)展歷程

       CAN 總線通信的一些關鍵特性使其非常適合車載網(wǎng)絡應用:
 ?。?)差分信號可靠性高,抗干擾能力強,且通信介質(zhì)選擇靈活(雙絞線、同軸電纜
  或光纖);
  (2)通信速率最高可達1 Mbit/s(此時距離最長40 m);
 ?。?)采用多主通信模式,當總線空閑時,任意節(jié)點均可以主動向網(wǎng)絡其他節(jié)點發(fā)送
  信息;
 ?。?)支持節(jié)點優(yōu)先級設定,并采用非破壞性逐位仲裁規(guī)則解決潛在數(shù)據(jù)發(fā)送沖突;

(5)信息以廣播式發(fā)送,所有節(jié)點都能接收到信息,保證網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)一致性;
 ?。?)支持完善的錯誤界定和處理機制,出錯節(jié)點具有自動關閉退出總線的功能。
  隨著人們對汽車的智能化要求越來越高,汽車上裝配的電子控制單元也越來越多,
  CAN 總線通信也漸漸顯現(xiàn)出來一些不足:
 ?。?)最高數(shù)據(jù)傳輸速率限制為1 Mbit/s,車載領域?qū)嶋H使用速率最高為500 Kbit/s,無
  法滿足越來越高的數(shù)據(jù)吞吐量需求;
  (2)每幀報文有效數(shù)據(jù)場為8 字節(jié),僅占整幀報文信息不足50%;
 ?。?)性能上難以應對Flexray、Ethernet 等新型車載總線的威脅。
  市場對提升CAN 總線性能的強烈需求使CAN-FD (Flexible Data rate)應運而生,CANFD
  發(fā)揚了CAN 的優(yōu)點,并彌補了CAN 的不足,其主要特性如下:
 ?。?)采用與CAN 通信相同的事件觸發(fā)模式,軟件容易開發(fā)和移植;
 ?。?)最高數(shù)據(jù)傳輸速率達5Mbit/s,更好地滿足要求高實時性、高數(shù)據(jù)傳輸速率的應
  用;
 ?。?)每幀報文有效數(shù)據(jù)場為64 字節(jié),占整幀報文信息超過70%;
 ?。?)相比Flexray、Ethernet 等新興總線成本更低。
  CAN-FD 的技術特點及應用領域
  CAN-FD 通過改變幀結(jié)構(gòu)和提高位速率等方法成功的把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了5Mbit/s,
  其基本原理如圖2 所示。CAN-FD 協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

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圖2 CAN-FD 傳輸?shù)幕驹?/p>

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圖3 CAN-FD 協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)


  詩訊半導體(Spansion)近期發(fā)布的Cortex-R5 系列汽車級MCU 產(chǎn)品全系列支持CANFD
  總線通信。2014 年7 月,詩訊半導體正式發(fā)布了集成CAN-FD 控制器的ARM Cortex-R5
  S6J3310 系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品的關鍵特性包括:ARM Cortex-R5 高性能32 位內(nèi)核,主頻高達
  144 MHz;最高集成2 路CAN-FD 通信,每路數(shù)據(jù)傳輸速率達5 Mbit/s;支持SHE(Secure
  Hardware Extension)加密功能;支持更新的低功耗功能,如部分喚醒等;支持AutoSAR。
  圖4 展示了S6J3110 評估板的CAN-FD 的技術特點和幀結(jié)構(gòu)的實測波形。

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圖4 S6J3110 評估板的CAN-FD 的技術特點和幀結(jié)構(gòu)的實測波形


CAN-FD 的主要應用領域包括:
 ?。?)EOL(End-Of-Line)程序燒寫:CAN 數(shù)據(jù)傳輸速率為500 Kbit/s;CAN-FD 數(shù)據(jù)傳
  輸速率為5 Mbit/s,約10 倍于CAN 傳輸速率。
 ?。?)動力、底盤和安全系統(tǒng),以及身份認證:數(shù)據(jù)場支持長達64 字節(jié),避免數(shù)據(jù)非
  必要的拆分。
 ?。?)網(wǎng)關:提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率達5 Mbit/s,提高了有效數(shù)據(jù)負載率。
  CAN-FD 的設備、工具廠商
  在車載應用領域,目前已有多家設備、工具廠商支持CAN-FD 總線協(xié)議,如維克多
 ?。╒ector)、羅德與施瓦茨(R&S)和周立功(ZLG)等。
  國外廠商以維克多為代表,其在工具體系的完整性方面更為領先。Vector 的工具體系
  完整的支持CAN-FD 的開發(fā)、測試、網(wǎng)絡分析等全部功能。另外,其GL 系列總線記錄儀也
  將在不遠的將來支持CAN-FD 協(xié)議。
  國內(nèi)廠商以周立功為代表,其最新推出的四通道ZDS2024 示波器可以很好的支持
  CAN-FD 協(xié)議,其關鍵特性包括:支持4 通道、模擬帶寬高達200MHz、采樣率每通道均為
  1GSa/s、21 種協(xié)議觸發(fā)及解碼、51 種參數(shù)測量及24 種參數(shù)同時測量統(tǒng)計。

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