全网唯一UAVCAN中文教程（18）从can 2.0升级到canfd的变化

Posted 2022-03-08 奇妙之二进制

文章目录

• • 1、什么是CAN FD？
  • 2、CAN FD如何工作？
  • • 两个关键挑战
    • 解决方案：CAN FD框架
    • NEED FOR SPEED：开启比特率切换
  • 3、混合经典CAN和CAN FD节点
  • • CAN FD与CAN的开销和数据效率
  • CAN FD的最大比特率是多少？
  • 4、CAN FD应用

1、什么是CAN FD？

CAN FD协议由Bosch（与行业专家）预先开发，并于2012年发布。

在标准化过程中已得到显着改进，如今已在ISO 11898-1：2015中进行了改进。原始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）与ISO CAN FD不兼容。

CAN FD具有四个主要优点：

1 增加数据长度

CAN FD 每个数据帧最多支持64个数据字节，而Classic CAN 支持8个数据字节。这减少了协议开销，并提高了协议效率。

2 速度提升

CAN FD支持双比特率：经典CAN中给定的标称（仲裁）比特率限制为1 Mbit / s，而数据比特率则取决于网络拓扑和收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit / s的数据比特率。

3 改进的可靠性

CAN FD使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测到的错误的风险。例如，这对于车辆和工业自动化等对安全至关重要的应用至关重要。

4 平滑过渡

在某些条件下，可以混合使用CAN FD和经典CAN ECU。这样就可以逐步引入CAN FD节点，从而大大降低了OEM的成本和复杂性。

实际上，与经典CAN 相比，CAN FD可以将网络带宽提高3到8 倍，从而为数据增长提供了一种简单的解决方案。

2、CAN FD如何工作？

因此，CAN FD看起来非常简单：

加快数据传输速度，并将更多数据打包到每个消息中，对吗？

但是实际上，这不是那么简单。

下面我们概述了CAN FD解决方案必须解决的主要挑战。

两个关键挑战

在查看CAN FD数据帧之前，了解我们要维护的Classic CAN的两个核心部分至关重要：

1 避免严重的邮件延迟

为什么不简单地用64个字节的数据打包经典CAN数据帧？

这样做将减少开销并简化消息解释。但是，如果比特率保持不变，这也会阻塞CAN总线更长的时间，从而可能延迟关键任务的更高优先级的数据帧。

2 保持实际的CAN线长

因此，如果我们希望每条消息发送更多数据，则需要更高的速度。

但是，为什么不加速整个 CAN消息（而不仅仅是数据阶段）呢？

这是由于“仲裁”：如果2个以上的节点同时发送数据，则仲裁将确定哪个节点具有优先权。“优胜者”继续发送（无延迟），而其他节点在数据传输期间“退避”。

在仲裁过程中，“位时间”在每个位之间提供足够的延迟，以允许网络上的每个节点做出反应。为了确保在位时间内到达每个节点，以1 Mbit / s的速度运行的CAN网络的最大长度应为40米（实际上为25米）。加快仲裁过程会将最大长度减少到不合适的水平。

另一方面，仲裁后有一条“空旷的高速公路”，可在数据传输期间（只有一个节点驱动总线时）实现高速传输。在ACK时隙之前-当多个节点确认正确接收数据帧时-速度需要降低到标称比特率。

简而言之，我们需要一种仅在数据传输过程中提高速度的方法。

解决方案：CAN FD框架

CAN FD协议引入了经过调整的CAN数据帧，以实现额外的数据字节和灵活的比特率。

下面我们比较一个11位的经典CAN帧与一个11位的CAN FD帧（也支持29位）：

让我们逐步解决这些差异：

**RTR与RRS：**远程传输请求（RTR）在经典CAN中用于标识数据帧和相应的远程帧。在CAN FD中，根本不支持远程帧-远程请求替换（RRS）始终占主导地位（0）。

**r0 vs. FDF：**在经典CAN中，r0保留且占优势（0）。在CAN FD中，它被称为FDF和隐性（1）。

在r0 / FDF位之后，CAN FD协议添加“ 3个新位”。请注意，不具备CAN FD功能的节点在FDF位之后会产生错误帧。

**res：**这个新的保留位起着与r0相同的作用-即将来可能将其设置为隐性（1）来表示新协议。

**BRS：**比特率开关（BRS）可以为显性（0），这意味着CAN FD数据帧以仲裁速率（即最高1 Mbit / s）发送。将其设置为隐性（1）意味着数据帧的其余部分以更高的比特率（最高5 Mbit / s）发送。

**ESI：**默认情况下，错误状态指示器（ESI）位为显性（0），即“错误激活”。如果发送器变为“被动错误”，则将隐性（1）表示它处于被动错误模式。

**DLC：**与传统CAN一样，CAN FD DLC为4位，表示帧中数据字节的数量。上表显示了两种协议如何一致地使用多达8个数据字节的DLC。为了维持4位DLC，CAN FD使用9到15之间的其余7个值来表示所使用的数据字节数（12、16、20、24、32、48、64）。

**SBC：**填充位计数（SBC）在CRC之前，由3个格雷编码位和一个奇偶校验位组成。随后的固定填充位可以视为第二个奇偶校验位。添加了SBC以提高通信可靠性。

**CRC：**经典CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CAN FD中为17位（最多16个数据字节）或21位（20-64个数据字节）。在经典CAN中，CRC中可以包含0到3个填充位，而在CAN FD中，总是有四个固定填充位以提高通信可靠性。

ACK： CAN FD数据帧的数据阶段（也称为有效负载）在ACK位停止，这也标志着可能增加的比特率的结束。

NEED FOR SPEED：开启比特率切换

如前所述，以正常速度发送64个数据字节会阻塞CAN总线，从而降低了实时性能。

为了解决这个问题，可以启用**比特率切换，**以允许以比仲裁率更高的速率（例如5 Mbit / s与1 Mbit / s）发送有效负载。上面我们以图解方式可视化了3个数据字节和64个数据字节方案的效果。

注意，较高的速度适用于从BRS位开始到CRC分隔符结束的数据帧部分。

除此之外，当今大多数车辆使用0.25-0.5 Mbit / s，这意味着以5 Mbit / s的速度，CAN FD将是有效载荷传输速度的10倍。

令人印象深刻，对不对？

3、混合经典CAN和CAN FD节点

如前所述，经典CAN和CAN FD节点可以在某些条件下混合使用。这样就可以逐步向CAN FD迁移，而不必一次切换每个ECU。

存在两种情况：

**100％CAN FD系统：**在这里，CAN FD控制器可以自由混合经典CAN和CAN FD数据帧。

**一些节点是传统的经典CAN：**在这里，CAN FD控制器可以切换到经典CAN通信，以避免来自经典CAN节点的错误帧反应。同样，在例如ECU闪烁期间，经典CAN节点可能会关闭，以允许暂时转换为CAN FD通信。

CAN FD与CAN的开销和数据效率

显而易见，与经典CAN相比，CAN FD的新增功能增加了很多额外的位-如何减少开销？

答案是事实并非如此-请参见下面的经典CAN与CAN FD可视化图，了解3个数据字节。实际上，直到跨越8个数据字节，CAN FD的效率才不会超过经典CAN。但是，通过移向64个数据字节，效率可以从约50％增至约90％（下文有更多介绍）。

CAN FD的最大比特率是多少？

CAN FD的一个令人困惑的方面是有效负载阶段的最大比特率-因为不同的文章提到了不同的级别。

有人指出，实际应用中可以达到8 Mbit / s，理论上可以达到15 Mbit / s。其他人则表示高达12 Mbit / s。此外，戴姆勒指出，超过5 Mbit / s是令人怀疑的 -既没有标准，又因为低成本汽车以太网（10 BASE-T1）有望限制对CAN FD的更高需求。

那么什么是正确的？

这取决于。从ISO 11898-2（收发器芯片标准）来看，它指定了两个对称参数集。建议使用对称性参数得到改善的天线，通常宣传为5 Mbit / s收发器。可达到的数据相位比特率取决于许多因素。最重要的一项是所需的温度范围。ECU的闪烁不需要低温的支持。这意味着对于ECU闪烁，可能会达到12 Mbit / s。另一个重要的比特率限制是由所选的拓扑引起的。存根非常短的总线拓扑与长存根甚至星形的混合拓扑相比，可以显着提高比特率。对于-40摄氏度至+125摄氏度的温度范围，大多数多点总线线路网络被限制为2 Mbit / s。CiA在CiA 601-3网络设计建议中提供了适当的经验法则。这包括在数据阶段设置采样点的建议。

4、CAN FD应用

简而言之，CAN FD允许系统以更快的速度处理更多数据。

这对于许多越来越相关的用例至关重要：

电动汽车

电动汽车和混合动力汽车采用了新的动力总成概念，要求更高的比特率。复杂性的增加来自与DC / DC逆变器，电池，充电器，增程器等相关的新控制单元。到2025年，预计所需的比特率将超过CAN- 随着电动汽车的爆炸性增长，这可能是该技术的先驱CAN FD推出。

ECU flash

车载软件变得越来越复杂。因此，今天通过OBD2端口执行ECU更新可能要花费数小时。使用CAN FD，可以使此类过程的速度提高4倍以上。该用例一直是汽车OEM需求CAN FD的原动力之一。

机器人

一些应用程序依赖于时间同步的行为-例如，具有多个轴的机器人手臂。这样的设备通常使用CANopen，并且每个控制器都需要与时间同步的发送多个CAN帧（PDO）（即不受较高优先级帧的干扰）。通过转换为CAN FD，可以在单个帧中发送所需数据，从而提高效率和简化操作。

ADAS和安全驾驶

乘用车和商用车中越来越多地采用高级驾驶员辅助系统（ADAS）。这些系统对现有CAN总线的总线负载造成了压力，但是ADAS是提高安全性的重要一步（在我们等待真正的自动驾驶汽车的同时）。在此，CAN FD将在不久的将来成为增强安全驾驶的关键推动力。

卡车和大巴

卡车和公共汽车使用长CAN总线（10-20米）。结果，它们依赖慢速比特率（根据J1939-14为250 kbit / s或500 kbit / s ）。在这里，即将到来的J1939 FD协议有望实现商用车功能的重大改进，包括。例如ADAS。

安全CAN总线

如最近的CAN黑客攻击所示，经典CAN容易受到攻击。如果黑客能够访问CAN总线（例如，无线），则可能会关闭关键功能。带宽更高时，CAN FD可以通过安全车载通信（SecOC）模块进行身份验证-这可能成为CAN FD的核心理由。