CAN-FD和以太网共筑未来十年的汽车数据总线 — 快速、可靠(上)
在汽车行业，汽车电子控制单元 (ECU) 经历了爆炸式
增长。这些 ECU 在遵循行业标准的基础上还采用了一些专 用协议，逐渐从独立单元发展成了网络中的智能节点。其结 果是，汽车网络成本被拉低，同时其可靠性和性能得到了提 高。在过去的十年里，我们看到，数据总线逐渐发展成了车 载网络的标准。在接下来的十年里，我们相信，现有汽车 网络协议必将经历一系列的扩展，标准网络连接必将进入 汽车。本文对两种新的汽车网络连接协议进行了分析，即 CAN-FD。
图1 标准 CAN 消息
图2 位时间缩短的 CAN-FD
图3 位时间缩短且负载增加的 CAN-FD
1 为何选择新型数据总线？
一系列新型汽车功能的发展，例如，先进的驾驶辅助 系统、泊车辅助系统、车道偏离警示系统、盲区探测以及信 息娱乐系统等，触发了对新数据总线的需求。这些新型总线 必须能够达到更快的速度，带宽必须能够扩展，能够实现无 缝升级，而且还要有助于降低功耗、重量、芯线数和部署成 本。
2 CAN-FD（具有可变数据速率的 CAN）
CAN-FD 改善了汽车行业中主导总线系统（即 CAN 协 议）的带宽利用率（参见图 1、 2、 3）。带宽利用率的提 高是通过以下方法实现的：
2.1 双位速率： CAN-FD 帧支持双位时间功能
a. 正常位时间
• 这个位时间与现有 CAN 协议相同。这包括多个器件 可在其中（在仲裁开始和应答结束时）同时进行传输的总线 字段。
• 这些总线字段如下：
- 帧起始 (SOF) 位、仲裁场（ 12 位）和 2 个控制位
- 应答位、应答分界符位、帧结束 (EOF) 位（ 7 位）和 帧间隔（ 3 位）
b. 缩短的位时间
• 为了实现更高的数据速率， CAN-FD 允许某些特定总 线字段的位时间短于当前的 CAN 位时间。
• 对这些总线字段的时序要求比较宽松，因为只是为了 保证器件仅一个接一个地进行传输。不需要逐位仲裁。
图4 通用 CAN 帧格式
图5 CAN 2.0 标准帧
图6 CAN 2.0 扩展帧
图7 CAN-FD 标准帧
• 这 些 总 线 字 段 包 括 ： 2 个 控 制 位 、 负 载 长 度 （ 4
位）、负载数据以及 CRC（ 17 或 21 位）。
2.2 负载增加
a. 消息长度为 64 字节，与以前的 8 字节相比，提高了
CAN协议的效率。
b. 为了充分利用 CAN-FD 的这一改进，您还需要更新系 统软件。
3 CAN 帧格式
CAN-FD 是在当前 CAN 协议的基础上演变而来的，支 持现有的所有 CAN 帧格式。有关通用 CAN 帧格式，请参见 图 4。
3.1 CAN 2.0 标准帧
下面描述的两个位元标识了标准帧（ 11 位标识符）：
• 第 13 位 - 标识符扩展 (IDE) 位元 – 显性 (0)• 第 14 位 - 保留位元 (R0) - 显
性 (0)
另一个重要的位是第 12 位，
即远程传输请求 (RTR) 位元。
• 显性 (0) - 数据帧
• 隐性 (1) - 远程帧
CAN 2.0 扩展帧
C A N 2 . 0 协 议 还 支 持 扩 展 帧（图 6）。
下面描述的两个位元标识了扩 展帧（ 29 位标识符）：
• 第 13 位 - IDE 磁场 - 隐性 (1)
• 第 12 位 - SRR 磁场 - 隐性 (1)
R T R 位 元 的 新 位 置 是 第 3 2
位。扩 展 帧 包 括 两 个 保 留 位 元 （R0 和R1）。
3.2 CAN-FD 标准帧格式
在 CAN-FD 协议中，您将注意 到，数据负载更大（图 7）。
下 面 描 述 的 两 个 位 元 标 识 了
CAN-FD 帧：
• 第 13 位 - 标识符扩展 (IDE)
位元 – 显性 (0)
• 第 14 位 - 标准帧中的 R0 位元现在是扩展数据长度
(EDL) 位元 - 隐性 (1)
这 意 味 着 C A N - F D 规 范 应 该 适 用 于 数 据 长 度 代 码
(DLC) 和 CRC 序列。
第 16 位是一个新位元，即位速率选择开关 (BRS)
请注意，不存在 RTR 位元。
3.3 CAN-FD 中的新功能
• 扩展数据长度 (EDL) 位元：区分 CAN-FD 帧与标准
CAN 帧
• 显性 - 标准 CAN 帧格式
• 隐性 - CAN-FD 帧格式
• 位速率选择开关 (BRS) 位元：在 BRS 采样点立即开始
CAN-FD 速率
• 显性 - 不切换到新位速率
• 隐性 - 切换到新位速率
图9 IEEE AVB 标准堆栈
• 错误状态指示 (ESI) 位元
• 显性 - 错误有源发射器
• 隐性 - 错误无源发射器
• 保留了两个位元以用于进一步的协议修订 - R0（第 15
位）和 R1（第 12 位），但位元的位置与早期版本不同
• 修改了 CRC，以便为更长帧维持与标准 CAN帧相同 的汉明距离
4 CAN_FD 使用案例
4.1 快速软件下载
CAN-FD 可以加速针对汽车 ECU 的最后编程工作。通 用汽车指出，使用 CAN-FD 后， ECU 编程时间将缩短至当 前编程时间的三分之一，甚至是五分之一。同样地，汽车修 理间内的诊断或软件升级时间也缩短了。
4.2 错误状态
传输节点出错可能会导致消息突然中断，从而对那些 安全至上的系统造成影响。每个 CAN-FD 消息的错误状态信 息 (ESI)位元中都包含传输节点的状况。采用这种方式，接 收器就能够监控传输节点，并在实际问题发生之前采取故障 预防措施。
4.3 增加的数据载荷
CAN-FD 使得消息长度扩展到了 64 字节，从而避免了长消息被拆分。其结果是，在 CAN 堆栈中形成了一个非常 简化的传输层。您不必实现复杂的流控制机制来容纳多个消 息。
4.4 ECU 之间的通信更快
随着汽车功能的日益丰富，汽车 ECU 之间交换的数据 量也呈直线上升。 CAN-FD 凭借更高的带宽，可以轻松处理 更大量的数据，而且能够达到与 FlexRay 媲美的速度。
4.5 总线负载降低
由于通信速度更快， ECU 可以通过 CAN-FD 帧以比使 用标准CAN 帧时更快的速度发送和接收数据。其直接效果 就是总线负载会降低。示例：一个仪表板负责为驾驶员呈 现汽车的大量参数。它将需要驱动 3 到 7 个计量器，控制
20 到 30 个信号装置，响铃并显示信号警报来指示状态或系 统故障。该节点需要通过来自多个ECU 的大量 CAN 消息来 接收和传输信息。在这样一个系统上，CAN 负载可以占到
75% - 80%。 CAN-FD 通过减少 CAN 总线负载缓解了这一问 题。
4.6 传输线路的长度
在卡车或铰接巴士网络中，总线的长度可能会达到 9
至 20 米。整个网络的速度将会受到仲裁场的限制。
J1939-14 标准定义的最大位速率是 500kbps。然而， CAN-FD可以达到更高的速度。仲裁场可以仍维持的速度，但数据载荷能够以高得多的速率进行交换。这极大 地提高了网络的吞吐量。（未完待续）
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