鄭志超，南金瑞，南江峰

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

0 引 言

CAN（Controller Area Network）總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡總線，已經(jīng)在汽車上應用多年[1]。CAN總線具有傳輸速度快、高可靠性特點，符合ISO11898、SAE1939 及 ISO11783 等 國 際 標 準[2]。 CAN 總 線 是 一 種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，采用完善的錯誤處理機制和非破壞性仲裁機制[3]，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴AN 總線經(jīng)BOSCH 公司發(fā)布并在行業(yè)推廣后，逐步成為車載領域的主流總線，并得到汽車主機廠和供應商的大力支持。

目前，汽車行業(yè)針對基于CAN 通信控制器的開發(fā)，已有成熟的開發(fā)體系和配套工具，如德國Vector 公司開發(fā)的CAN 總線應用系統(tǒng)開發(fā)軟件CANoe。但是，CAN總線的通信協(xié)議發(fā)布已有多年，面對目前汽車發(fā)展出現(xiàn)的新應用場景，其局限性表現(xiàn)得越來越明顯。新能源汽車和自動駕駛汽車的出現(xiàn)和發(fā)展，一方面，導致汽車對總線吞吐量的要求越來越高，例如電動汽車的BMS 控制器傳輸數(shù)據(jù)量巨大，造成總線負載持續(xù)增長（達到60%）；另外一方面，對總線通信的實時性要求越來越苛刻，例如，作為一項主動安全技術，在多國新車規(guī)程中已將其納入主動安全測試內(nèi)容[4]的緊急電子制動（AEB）系統(tǒng)，對通信的實時性要求非常高。這直接促進了行業(yè)對新型總線的研究，除CAN FD 總線外，車用領域正在研究的還有 FlexRay、Most、Ethernet、LVDS 等。汽車行業(yè)覆蓋的產(chǎn)業(yè)鏈較長，企業(yè)數(shù)量龐大，任一標準和規(guī)范的變動，都具有“牽一發(fā)而動全身”的巨大影響。CAN FD總線由BOSCH 公司在CAN 總線基礎上提出，它保留了CAN 通信的各種優(yōu)點，同時彌補了CAN 通信存在的不足。相比較而言，CAN FD 有巨大的潛力成為下一代汽車總線。本文在介紹CAN FD 網(wǎng)絡特點的基礎上，著力分析CAN FD 未來的應用前景和在工程化應用方面的技術。

1 CAN FD 總線特點

CAN FD 總線在CAN 總線基礎上發(fā)展而來。CAN總線是一種基于消息廣播模式的串行通信總線。起初用于汽車ECU（電子控制單元）之間通信，后來因簡單、可靠等特點，被廣泛用于工業(yè)自動化領域，如數(shù)控機床等。CAN 總線采用差分串行通信（CANH 和 CANL），抗干擾能力較強。當CANH 與CANL 均為2.5 V 時，總線為隱性電平；CANH（3.5 V）和CANL（1.5 V）壓差為2 V時為顯性電平。

CAN FD 最早由BOSCH 公司提出，隨后發(fā)展迅速，國外許多企業(yè)已經(jīng)進行了CAN FD 相關工具和器件的開發(fā)。CAN FD 的發(fā)展也得到多家廠商支持，目前已經(jīng)有大眾、戴姆勒、通用汽車、英飛凌、NI 等多家廠商為CAN FD 標準化推廣提出意見，并且2020—2022 年量產(chǎn)的很多車型都會采用CAN FD 技術。

CAN FD 總線相較于CAN 總線，有一些新特點，這些特點對改善數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性十分重要。

1.1 更長的數(shù)據(jù)場

如圖1所示，以CAN和CAN FD的數(shù)據(jù)擴展幀為例進行比較，在幀結構中其他位場幾乎沒有改變（增加FDF、BRS、ESI 位和 CRC 場有一些改變）的情況下，數(shù)據(jù)場由原先的最多8 個字節(jié)擴展到最多64 個字節(jié)。每一幀CAN FD 報文的最大有效數(shù)據(jù)傳輸效率相較CAN 報文，接近后者的8 倍，有了很大提升。

圖1 CAN 總線與CAN FD 總線數(shù)據(jù)擴展幀的比較

1.2 更高的傳輸速率

傳統(tǒng)CAN 總線常用的通信速率是250 Kb/s 或500 Kb/s，通信速率最高可達1 Mb/s（此時通信距離最長為40 m）[5]。CAN FD 的數(shù)據(jù)波特率根據(jù)BRS 的顯隱性靈活可變，在數(shù)據(jù)段中可以實現(xiàn)高達15 Mb/s 的通信波特率。從控制場中的BRS 位到ACK 場之前（含CRC 分界符）為可變速率，其余部分為原CAN 總線所用速率[6]。速率測試實驗采用型號為ATA6561 的收發(fā)器，受限于收發(fā)器的最大速率，CAN FD 成功調(diào)通通信速率可達到5 Mb/s，這已遠遠超過傳統(tǒng)CAN 總線的速率。

1.3 報文格式變化

CAN FD 相比 CAN 在控制場增加了 FDF、BRS、ESI位。FDF 位用于標識是否為CAN FD 報文，隱性表示CAN FD 報文，顯性表示CAN 報文；BRS 位用于控制是否切換數(shù)據(jù)段部分的波特率，隱性則切換，否則跟仲裁段保持一致；ESI 位用于標識節(jié)點當前錯誤狀態(tài)，顯性為主動錯誤狀態(tài)，隱性為被動錯誤狀態(tài)。

1.4 改善的CRC 校驗方式

無論是傳統(tǒng)CAN 總線還是CAN FD 總線，都以CRC場來校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。傳統(tǒng)的CAN 總線，由于位填充對CRC 的干擾，造成錯幀漏檢率較高，降低了通信品質。CAN FD 對此作了改進，對CRC-17（數(shù)據(jù)場長度不超過16 B）、CRC-21（數(shù)據(jù)場長度超過16 B）的校驗采用固定位填充方式，具體如表1 所示。

表1 CAN FD 報文CRC 校驗場填充方式

2 CAN FD 的應用前景

2.1 CAN FD 總線的低負載率

在進行網(wǎng)絡通信設計時，一般要求合理設計報文的周期、數(shù)量及優(yōu)先級。推薦平均負載率Ut≤0.3，一般能夠保證該CAN 通道內(nèi)報文傳輸數(shù)據(jù)的實時性要求[7]。當前，新能源電動汽車發(fā)展迅速，市場份額逐年提升。動力電池是其核心部件，由于電池模塊單體眾多，需要采集較多的電壓、電流和溫度等信息。BMS 主控與從控之間的通信網(wǎng)絡適合用于作為驗證總線網(wǎng)絡性能優(yōu)劣的應用場景。

如圖2 所示的網(wǎng)絡架構，BMS 管理系統(tǒng)共有1 個主控，10 個從控，從控以10 ms 的間隔周期性向總線發(fā)送報文，主控負責接收。通過在CANoe 軟件中進行仿真，分別設計CAN 網(wǎng)絡和CAN FD 網(wǎng)絡發(fā)送相同的數(shù)據(jù)信息，比較總線的負載率。

圖2 通信網(wǎng)絡架構

仿真結果表明，在傳統(tǒng)的CAN 網(wǎng)絡中，負載率已接近50%，而CAN FD 網(wǎng)絡的負載率剛超過5%，負載率顯著降低。為了進一步比較，制作實物節(jié)點并搭建測試臺架，實物節(jié)點采用的單片機型號是Atmel 公司的ATSAMC21J18A，收發(fā)器型號為TJA1145T/FD。測試結果表明，在CAN 網(wǎng)絡中，負載率接近46%，CAN FD 網(wǎng)絡則剛超過8%。

2.2 CAN FD 總線的刷寫速率

汽車電控系統(tǒng)在使用過程中，功能常需要更新迭代，因此需要對控制器進行程序燒寫及更新。利用CAN 通信方式對控制器在線編程升級是常用的方法，通過開發(fā)BootLoader 的程序引導與終端PC 相結合，即可實現(xiàn)控制器程序在線更新[8]。因此，CAN FD 總線的刷寫速率對于其應用前景也十分重要。

刷寫同樣的程序，時間主要取決于數(shù)據(jù)傳輸時間，這里以10 ms 間隔發(fā)送報文。

在圖3 中可以看到，當CAN FD 的數(shù)據(jù)場使用64 個字節(jié)長度時，時間顯著降低，這對于汽車軟件的在線升級意義重大。

圖3 CAN 與CAN FD 總線刷寫速率測試

2.3 CAN FD 應用場景

由于汽車各電控單元對總線通信吞吐量和傳輸速率需求不同，同時各種汽車總線的通信特性和應用成本也有所不同。綜合滿足使用需求和降低應用成本考慮，往往將多種總線結合使用。例如，燈光、門鎖和電動座椅的控制器采用LIN 總線通信，車身、底盤、動力、儀表仍采用Body-CAN、Chassis-CAN、PT-CAN、Info-CAN 多路CAN 總線通信。對于高級輔助駕駛（ADAS）和電池管理系統(tǒng)（BMS）及診斷口（Tester）可采用CAN FD 總線通信，對于媒體娛樂設備使用以太網(wǎng)（Ethernet）通信。各種總線通過網(wǎng)關（Gateway）進行信息交互，圖4 是CAN FD 在某款量產(chǎn)車型的典型應用。

圖4 CAN FD 的典型應用

3 CAN FD 的工程化應用技術

3.1 安全性設計

在進行CAN FD 總線通信速率測試時，意外發(fā)現(xiàn)，當單片機主頻低于CAN FD 數(shù)據(jù)場的傳輸速率時，收到的報文出現(xiàn)錯誤，但是CRC 校驗并沒有發(fā)現(xiàn)錯誤。雖然這種情況在實際應用中少見，但是仍會降低數(shù)據(jù)通信的安全性和可靠性。為解決上述問題，提高總線網(wǎng)絡通信安全，CAN FD 可在數(shù)據(jù)場增加安全設計，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

通過對數(shù)據(jù)場的前62 個字節(jié)進行CRC-16 校驗，得到的16 位校驗碼高8 位和低8 位分別存放在數(shù)據(jù)場的第63 B和64 B。CRC-16校驗多項式為x16+x15+x2+1，校驗碼的初始值為0，校驗采用查表方法。例如接收到的一幀報文前62 個字節(jié)均為0xAA，最后2 個字節(jié)0xFE和0xD5 即為校驗碼。經(jīng)過增加CRC-16 校驗，上述情況不再出現(xiàn)。

3.2 CAN FD 與 CAN 同一網(wǎng)絡 兼容

鑒于不同網(wǎng)絡節(jié)點對通信的實時性要求不盡相同，并且市場上有規(guī)模數(shù)量龐大的基于CAN 通信的微控制器，CAN 總線到CAN FD 的全面升級短時間內(nèi)難以實現(xiàn)。在同一網(wǎng)絡CAN 節(jié)點和CAN FD 節(jié)點的兼容，對車載網(wǎng)絡性能的提升和CAN FD 總線的推廣和工程化應用具有十分重大的意義。

如圖5 所示，在同一網(wǎng)絡中，CAN FD 節(jié)點能夠收發(fā)CAN 或CAN FD 報文，但是當總線上有CAN FD 報文時，CAN 節(jié)點因不能識別，將向總線發(fā)送錯誤報文，影響正常通信。目前，為實現(xiàn)CAN 和CAN FD 控制器在車上同時存在，主要有三種實現(xiàn)方式：第一種是CAN 節(jié)點和CAN FD 節(jié)點分網(wǎng)運行，通過網(wǎng)關進行信息交互；第二種方式是對CAN 節(jié)點采用具有濾波模式的收發(fā)器，通過CAN FD Shield 技術能夠拒收同一網(wǎng)絡上的CAN FD 報文；第三種方式與第二種類似，CAN 節(jié)點設計時采用具有休眠喚醒功能的收發(fā)器，通過向總線發(fā)送特定的報文使收發(fā)器進入休眠和喚醒狀態(tài)。

圖5 CAN 與CAN FD 總線的兩種狀態(tài)

經(jīng)過測試，向總線上發(fā)送一幀CAN 喚醒報文，至CAN 節(jié)點成功發(fā)出第一條報文，時間間隔不超過20 ms。兩種狀態(tài)切換非常高效，能夠實現(xiàn)兼容應用。

另外，廣州致遠電子有限公司通過采用MCP2517FD（一款SPI 轉CAN FD 控制器模塊），將微控制器擴展成CAN FD 控制器，從而實現(xiàn)CAN FD 通信[9]。但是需要原控制器支持并新提供一路SPI 接口，不僅硬件更改，軟件層面也需大量的更改。綜合比較而言，采用具有休眠功能的收發(fā)器實現(xiàn)CAN 和CAN FD 在同一網(wǎng)絡的兼容性價比最高。

3.3 終端電阻匹配方法

為充分驗證CAN FD 網(wǎng)絡的工程化應用，根據(jù)國內(nèi)某整車廠提供的汽車級CAN 總線網(wǎng)絡拓撲結構如圖6所示，搭建實驗臺架進行網(wǎng)絡通信性能測試。其中涉及的一個重要問題就是CAN FD 網(wǎng)絡的終端電阻匹配問題。不同于傳統(tǒng)CAN 網(wǎng)絡終端電阻120 Ω 的經(jīng)驗匹配方法，實驗發(fā)現(xiàn)在不同的位置布置120 Ω，60 Ω，30 Ω 等不同電阻或者組合布置，很難保證所有節(jié)點都能正常參與通信。

由于CAN 協(xié)議規(guī)定，顯性與隱性差分電平的識別要在一定閾值范圍內(nèi)[10]，因此研究終端電阻的匹配對總線物理信號的影響，并通過優(yōu)化算法匹配電阻，改善信號質量，提升網(wǎng)絡通信性能非常重要。比較可行的方法是在Saber 軟件中搭建電路模型，在Matlab 中導入仿真數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化算法得到新的電阻值，代入Saber 模型中進行進一步仿真。這里提出的電阻優(yōu)化算法是基于粒子群的參數(shù)優(yōu)化算法，聯(lián)合Matlab 和Saber軟件進行仿真如圖7 所示。在之前的研究中，已成功將聯(lián)合仿真應用于改善CAN 網(wǎng)絡的通信質量，并經(jīng)過實驗得到驗證。由于軟件的限制，在Saber 中暫時不能加載CAN FD 收發(fā)器模型，希望能夠在以后得到進一步驗證。

圖6 汽車級CAN 總線網(wǎng)絡拓撲結構

圖7 聯(lián)合仿真匹配終端電阻流程圖

4 結 語

CAN FD 總線具有傳輸速率快、數(shù)據(jù)場較長和改善的CRC 檢驗方式等特點，能夠彌補目前CAN 通信應對當前新應用場景存在的不足，有潛力成為新一代總線；CAN FD 能夠降低總線負載率，提高程序在線升級刷寫速度，在車載網(wǎng)絡領域具有很大的應用前景。實現(xiàn)CAN FD 和CAN 在同一網(wǎng)絡的兼容，增加CRC 校驗設計提高安全性，通過聯(lián)合仿真方法優(yōu)化匹配終端電阻保證通信信號質量，推動CAN FD 總線實現(xiàn)工程化應用。