一文詳細(xì)了解汽車CAN-FD總線技術(shù)

在汽車行業(yè)高速發(fā)展的如今，汽車集成了更多的系統(tǒng)單元模塊，隨之而來的數(shù)據(jù)傳輸壓力成為了不可忽視的一大難題。為解決這一困難，CAN-FD總線應(yīng)運(yùn)而生。

本篇文章小編將為大家介紹汽車CAN-FD總線的方方面面，并為您講解RIGOL的數(shù)字示波器將如何在CAN-FD總線分析上為您提供強(qiáng)力的支持!

汽車CAN-FD總線

01 CAN-FD總線的前世今生

1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN(Controller Area Network)通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)在，CAN的高性能和可靠性已得到認(rèn)同并廣泛投入工業(yè)生產(chǎn)。

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)總線上的數(shù)據(jù)量逐日增長，尤其是在CAN總線運(yùn)用較多的汽車領(lǐng)域，總線通訊的數(shù)據(jù)量愈發(fā)龐大。例如汽車內(nèi)部出現(xiàn)更多的輔助系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的CAN總線在傳輸速率和帶寬方面越來越力不從心，CAN總線已逐漸達(dá)到負(fù)荷極限。根據(jù)CAN規(guī)范ISO11898-2所定義的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)，一幀報(bào)文最大只能傳輸64位(8個(gè)字節(jié))的數(shù)據(jù)，在最好的情況下總線負(fù)載也已達(dá)到70%左右。

為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)今巨大數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)，亟需改進(jìn)原有的總線來提高總線傳輸速率，CAN-FD(CAN with Flexible Data-Rate)便在這樣的背景下誕生了。

▲CAN總線的發(fā)展歷史

02 汽車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

下圖舉例了一個(gè)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。從中可以看到，CAN網(wǎng)絡(luò)由CAN節(jié)點(diǎn)及不同的CAN總線構(gòu)成，CAN節(jié)點(diǎn)主要由CPU、CAN控制器以及CAN收發(fā)器組成，而不同的CAN總線上布置有不同功能的智能電子控制單元(ECU)。

▲CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

03 OSI協(xié)議棧模型參考

CAN協(xié)議涵蓋了ISO規(guī)定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。CAN協(xié)議的關(guān)于ISO/OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協(xié)議的核心部分。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是將物理層收到的信號(hào)組織成有意義的消息，并提供傳送錯(cuò)誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤的檢測(cè)或報(bào)告。數(shù)據(jù)鏈路層的功能通常在CAN控制器的硬件中執(zhí)行，并在物理層定義了信號(hào)實(shí)際的發(fā)送方式、位時(shí)序、位的編碼方式及同步的步驟。但信號(hào)電平、通信速度、采樣點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)器和總線的電氣特性、連接器的形態(tài)等均未定義，必須由用戶根據(jù)系統(tǒng)需求自行確定。

▲OSI模型對(duì)比參考

04CAN-FD簡介

CAN-FD數(shù)據(jù)幀幀格式

CAN-FD采用了兩種位速率，從控制場(chǎng)中的BRS位到ACK場(chǎng)之前(含CRC分界符)為可變速率，其余部分為原CAN總線用的速率。CAN-FD數(shù)據(jù)幀格式如下圖所示：

▲CAN-FD幀格式

IDE(Identifier Extension)標(biāo)志位擴(kuò)展位：0表示11位ID，1表示29位ID。

r0,r1(Reserved for future use)保留未來使用：CAN-FD不支持遠(yuǎn)程幀。

EDL(Extended Data Length)表示報(bào)文格式：0表示CAN-FD報(bào)文，1表示CAN報(bào)文。

BRS(Bit Rate Switch)速率轉(zhuǎn)換開關(guān)：0表示不轉(zhuǎn)換速率，1轉(zhuǎn)換速率。

ESI(Error State Indicator)錯(cuò)誤狀態(tài)指示：0表示錯(cuò)誤主動(dòng)狀態(tài)，1錯(cuò)誤被動(dòng)狀態(tài)。

DLC(Data Length Code)數(shù)據(jù)長度代碼：線性部分為CAN的速率，非線性為CAN-FD可變部分。

CRC場(chǎng)

CAN總線由于位填充規(guī)則對(duì)CRC的干擾，會(huì)造成錯(cuò)幀漏檢率，從而無法達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。CAN-FD對(duì)CRC算法作了改變，即CRC以含填充位的位流進(jìn)行計(jì)算。為避免在校驗(yàn)和部分出現(xiàn)6個(gè)以上連續(xù)位，即在第一位以及以后每4位添加一個(gè)填充位加以分割。這個(gè)填充位的值是上一位的反碼，作為格式檢查，即如果填充位不是上一位的反碼，就作出錯(cuò)處理。

CAN-FD的CRC場(chǎng)擴(kuò)展到了21位。由于數(shù)據(jù)場(chǎng)長度有很大變化區(qū)間，所以要根據(jù)DLC大小應(yīng)用不同的CRC生成多項(xiàng)式。如CRC_17，適合于幀長小于210位的幀，而CRC_21，適合于幀長小于1023位的幀。

DLC編碼

CAN-FD數(shù)據(jù)幀采用了新的DLC編碼方式，在數(shù)據(jù)場(chǎng)長度在0~8個(gè)字節(jié)時(shí)，采用線性規(guī)則。當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長度為12~64個(gè)字節(jié)時(shí)，使用非線性編碼。如圖所示。

▲DLC線性和非線性編碼

CAN-FD總線的特點(diǎn)

以差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，擁有出色的抗噪性能。

所有節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，總線空閑時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)都可向總線發(fā)送消息。

非破壞性位仲裁機(jī)制，用信息內(nèi)的標(biāo)識(shí)符ID決定信息發(fā)送優(yōu)先順序，保證已發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性與及時(shí)性。

繼承自CAN總線的CAN-FD總線上的節(jié)點(diǎn)沒有“地址”的概念，因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)總線上已有節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層造成影響。

可以配合網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、系統(tǒng)的機(jī)能設(shè)定通信速度，此外兩條不同通信速度總線上的節(jié)點(diǎn)可通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息交互。

具有容錯(cuò)處理能力，所有的節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)出錯(cuò)誤，檢測(cè)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通知總線上其它所有的節(jié)點(diǎn);正在發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤，會(huì)立即停止當(dāng)前的發(fā)送，并同時(shí)不斷地重復(fù)發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止。

能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過發(fā)送“遙控幀”請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

05 DS70000示波器總線分析

CAN-FD總線分析對(duì)示波器的需求

在CAN-FD總線解析過程中，需要觀測(cè)系統(tǒng)噪聲對(duì)總線信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，并判斷總線報(bào)錯(cuò)時(shí)是否由于硬件造成的以及軟件編程的正確性。這對(duì)示波器的總線解析能力提出了更多的需求：

擁有高速采樣率，清晰捕捉和顯示串行模擬信號(hào)并觀測(cè)其物理特性。

擁有較大存儲(chǔ)深度，記錄較長時(shí)間的總線控制過程。

豐富的觸發(fā)功能及高波形捕獲率，捕獲到錯(cuò)誤并對(duì)應(yīng)捕獲波形發(fā)掘問題根因。

靈活的屏幕多窗口分屏顯示，同步顯示解碼結(jié)果與列表結(jié)果，方便觀測(cè)總線數(shù)據(jù)信息。

具有多路總線分析功能，滿足同時(shí)分析多路CAN節(jié)點(diǎn)的需要。DS70000總線分析功能

串行總線通信在汽車等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于汽車制造，從制動(dòng)系統(tǒng)到車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，總線無處不在。要確保正常的車輛性能，保證電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器之間的通信尤為重要。除了驗(yàn)證總線協(xié)議的數(shù)字邏輯之外，還需要對(duì)波形質(zhì)量、噪聲以及傳感器/執(zhí)行器信號(hào)的同步測(cè)量進(jìn)行模擬物理層驗(yàn)證。

RIGOL自主研發(fā)的DS70000示波器獨(dú)特的總線分析功能具有突出的優(yōu)勢(shì)：

擁有高采樣率，基于RIGOL的“鳳凰座”示波器專用芯片組，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)最高的20GSa/s采樣率、5GHz實(shí)時(shí)帶寬，更真實(shí)捕捉并還原信號(hào)。

擁有更大存儲(chǔ)深度，基于RIGOL新一代UltraVision III平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)最大2Gpts的存儲(chǔ)深度，在高采樣率下采集更長時(shí)間的波形，滿足長時(shí)間觀測(cè)的要求。

擁有豐富的觸發(fā)功能，以及可達(dá)每秒1百萬次的波形刷新率，更容易捕獲偶發(fā)的信號(hào)瑕疵。

具有強(qiáng)大的串行總線分析功能，支持多種主流串行總線，如RS232/UART、I2C、SPI、LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay、I2S、MIL-STD-1553等。

解碼結(jié)果列表顯示，解碼總線上每個(gè)幀信息，包括地址、數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符等，支持屏幕窗口列表顯示所有幀的分析結(jié)果，并可導(dǎo)出測(cè)試報(bào)告。

▲高采樣率 高帶寬

▲高波形刷新率

▲CAN總線觸發(fā)

▲解碼結(jié)果列表顯示

CAN-FD總線解碼分析測(cè)試步驟

在實(shí)際設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，工程師可以通過協(xié)議分析輕松地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、調(diào)試硬件、加快開發(fā)進(jìn)度，為高速度、高質(zhì)量完成工程提供保障。

而協(xié)議分析的基礎(chǔ)是協(xié)議解碼，只有解碼正確的協(xié)議分析才能夠被接受，只有正確的解碼才能反饋更多的錯(cuò)誤信息以供工程師進(jìn)行功能調(diào)試與設(shè)計(jì)改進(jìn)。

DS70000示波器支持CAN-FD的解碼分析，并可實(shí)現(xiàn)4路總線分析，下圖為DS70000示波器CAN-FD解碼設(shè)置界面示意圖。

▲示波器分析配置

(1) 該選項(xiàng)可選擇解碼協(xié)議類型，支持CAN-FD解碼分析，此外可選擇SPI、FlexRay、I2S、1553B等多種協(xié)議選項(xiàng)進(jìn)行解碼分析;

(2) 此處可以選擇打開或關(guān)閉總線解碼開關(guān);

(3) 此處為信源選項(xiàng)，可以設(shè)置信源的閾值和類型;

(4) 此處信號(hào)速率選項(xiàng)，支持CAN和CAN-FD不同的信號(hào)速率，并可設(shè)置期望的采樣位置。

DS70000系列示波器擁有簡便的解碼設(shè)置操作界面，為工程師提供高效的測(cè)試工具。

06 總結(jié)

本文不僅在CAN總線發(fā)展歷程、總線拓?fù)鋱D及OSI協(xié)議棧模型上對(duì)CAN總線進(jìn)行了較為全面的講解，同時(shí)從CAN-FD的數(shù)據(jù)幀幀格式、CRC算法到DLC編碼等方面，對(duì)CAN-FD總線的特點(diǎn)進(jìn)行了更深入的介紹。除此之外，您還可以通過使用RIGOL自主研發(fā)的DS70000系列數(shù)字示波器，對(duì)CAN-FD等多種協(xié)議進(jìn)行解碼分析。

DS70000依托于RIGOL工程師潛心十年打造的UltraVisonIII硬件平臺(tái)，搭載著自主研制的“鳳凰座”芯片組，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)領(lǐng)先的20GSa/s超高采樣率，更具備多種人性化的設(shè)計(jì)，相信定能為您帶來超高品質(zhì)的測(cè)試及分析體驗(yàn)。

▲UltraVisionIII平臺(tái)框圖

原文標(biāo)題：RIGOL技術(shù)站 | 汽車CAN-FD總線技術(shù)大揭秘

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審核編輯：湯梓紅