潘文卿，劉興義，王飛飛，宋炳雨，穆大蕓

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

在汽車領(lǐng)域，因?yàn)楣δ茉絹?lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，負(fù)載率越來(lái)越高，傳統(tǒng)CAN總線難以滿足當(dāng)前需求，又不可能直接放棄傳統(tǒng)CAN總線技術(shù)，為了解決負(fù)載率問(wèn)題還要兼容傳統(tǒng)的CAN總線，CANFD應(yīng)運(yùn)而生。2011年BOSCH首次發(fā)布了CANFD（CAN with Flexible Data rate）方案，在滿足CAN總線特性的基礎(chǔ)上升級(jí)了波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的兩大特性，在數(shù)據(jù)段傳輸時(shí)既可以提升速率又可以增加數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最大可以一次傳輸64字節(jié)，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，CANFD同時(shí)還繼承了傳統(tǒng)CAN的主要特性，采用雙線串行通信協(xié)議，非破壞性仲裁技術(shù)，分布式實(shí)時(shí)控制，可靠的錯(cuò)誤處理和檢測(cè)機(jī)制。

1 CANFD簡(jiǎn)介

1.1 CANFD與CAN

對(duì)比傳統(tǒng)的CAN［1］如圖1所示。

1）CANFD不支持遠(yuǎn)程幀，所以原來(lái)RTR位用RRS替代，并且始終為顯性位“0”。

2）為了區(qū)分CANFD與CAN，增加了FDF（FD Format）位，0表示傳統(tǒng)CAN，1表示CANFD。

3）CANFD最顯著的特征就是數(shù)據(jù)段可以提升傳輸速率，在CANFD仲裁場(chǎng)增加BRS（Bit Rate Switch）位，1表示進(jìn)行速率切換，0表示不進(jìn)行速率切換。

圖1 CANFD幀格式

4）CANFD最大可傳輸64字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以原來(lái)4個(gè)字節(jié)的DLC（Data Length Code）需要重新編碼，既支持傳統(tǒng)的CAN，也要支持最大64個(gè)字節(jié)的CANFD，具體編碼方式見(jiàn)表1。

5）CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗(yàn)在傳統(tǒng)CAN的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，如果數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度大于16個(gè)字節(jié)時(shí)，CRC的長(zhǎng)度為21bits，小于16個(gè)字節(jié)時(shí)，CRC的長(zhǎng)度是17bits，CANFD對(duì)CRC算法做了改變。在校驗(yàn)和部分從第1位開(kāi)始每4bits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。

6）ESI（Error State Indicator）錯(cuò)誤知識(shí)狀態(tài)位，0表示CANFD節(jié)點(diǎn)處于主動(dòng)報(bào)錯(cuò)狀態(tài)，1表示CANFD節(jié)點(diǎn)處于被動(dòng)報(bào)錯(cuò)狀態(tài)［2］。

1.2 CANFD的波特率和采樣點(diǎn)的配置

傳統(tǒng)CAN僅有一套預(yù)分頻方式，CANFD確定仲裁段預(yù)分頻因子和數(shù)據(jù)段預(yù)分頻因子有兩種方式［3］：①兩套獨(dú)立的預(yù)分頻配置方式，仲裁段預(yù)分頻因子不等于數(shù)據(jù)段預(yù)分頻因子。②一套共享的預(yù)分頻配置方式，仲裁段預(yù)分頻因子等于數(shù)據(jù)段預(yù)分頻因子。

表1 CAN&CANFD DLC編碼表

在研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)如果采用第1種兩套獨(dú)立的預(yù)分頻配置方式，采樣會(huì)有誤差，所以選用第2種配置方式。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中基于單片機(jī)時(shí)鐘配置，仲裁段和數(shù)據(jù)段設(shè)置相同的分頻因子。同時(shí)考慮仲裁段和數(shù)據(jù)段的波特率都會(huì)在1Mb/s以上，為保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，采樣點(diǎn)的配置需要大于80%以上。

2 CANFD數(shù)據(jù)傳輸理論計(jì)算

分析基于擴(kuò)展幀格式的傳統(tǒng)CAN和CANFD報(bào)文的傳輸時(shí)間理論上均以有效位計(jì)算，不考慮填充位。傳統(tǒng)CAN通信，按照最大波特率1Mb/s，傳輸1bit的時(shí)間是1μs，報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是8字節(jié)，一幀不計(jì)算數(shù)據(jù)填充位的報(bào)文長(zhǎng)度是128bits，傳輸一幀報(bào)文的時(shí)間是128μs。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中CANFD報(bào)文的仲裁段按照1Mb/s波特率配置，其中BRS速率切換指示位是數(shù)據(jù)段波特率加速過(guò)渡階段，BRS階段前半段為仲裁段，會(huì)采用仲裁段的波特率，后半段采用數(shù)據(jù)段的波特率，所以計(jì)算BRS的整體脈寬則是分別取兩種波特率脈寬的一半，進(jìn)行累加，CRC界定符同理［4］。仲裁段按照?qǐng)D1的幀格式計(jì)算傳輸時(shí)間為45μs，數(shù)據(jù)段按照不同的波特率和不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，傳輸時(shí)間見(jiàn)表2。

數(shù)據(jù)段按照2Mb/s波特率配置，傳輸一幀報(bào)文的時(shí)間按照兩種波特率的配置方式計(jì)算，仲裁段是1μs/bit，數(shù)據(jù)段0.5μs/bit，按照傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，如果是最大64字節(jié)數(shù)據(jù)，一幀報(bào)文仲裁段45bits，數(shù)據(jù)段543bits，傳輸一幀64字節(jié)數(shù)據(jù)的CANFD報(bào)文的時(shí)間是仲裁段45μs，數(shù)據(jù)段271.5μs，傳輸一幀數(shù)據(jù)是64字節(jié)的CANFD報(bào)文不考慮填充位的理論時(shí)間是45μs+271.5μs=316.5μs；如果是8字節(jié)數(shù)據(jù)，一幀報(bào)文仲裁段45bits，數(shù)據(jù)段91bits，傳輸一幀8字節(jié)數(shù)據(jù)的CANFD報(bào)文的時(shí)間是45μs+45.5μs=90.5μs。

表2 數(shù)據(jù)段不同配置對(duì)應(yīng)報(bào)文時(shí)間

對(duì)比分析同樣是一幀8字節(jié)數(shù)據(jù)的報(bào)文，傳統(tǒng)CAN采用1Mb/s波特率，需要128μs；通過(guò)CANFD協(xié)議，仲裁段采用1Mb/s，數(shù)據(jù)段采用2Mb/s傳輸，需要90.5μs。整條報(bào)文的傳輸時(shí)間相較于傳統(tǒng)CAN并未提升50%，僅僅提升了（128-90.5）/128=29.3%左右，原因主要有兩點(diǎn)：①CANFD的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度加長(zhǎng)了，傳統(tǒng)CAN是128bits，CANFD是136bits；②數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間提升是在數(shù)據(jù)段的91bits，仲裁段的45bits依然是按照1Mb/s的波特率，1μs/bit的時(shí)間傳輸。

CANFD在刷寫(xiě)中的理論計(jì)算如下。

如果要傳輸2048個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)的UDS刷寫(xiě)協(xié)議［6］，采用傳統(tǒng)CAN-1Mb/s的波特率傳輸，需要295條報(bào)文，理論計(jì)算用時(shí)295*128μs=37760μs。

采用CANFD協(xié)議，仲裁段1Mb/s，數(shù)據(jù)段2Mb/s，第一種情況：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8字節(jié)，理論計(jì)算用時(shí)295*90.5μs=26697.5μs。第二種情況：最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是64字節(jié)，需要32條64字節(jié)報(bào)文，1條48字節(jié)報(bào)文，2條8字節(jié)報(bào)文；理論計(jì)算用時(shí)，32*316.5μs+252.5μs+2*90.5μs=10561.5μs。表3為CANFD數(shù)據(jù)傳輸中速率提升。

表3 CANFD數(shù)據(jù)傳輸中速率提升

通過(guò)理論計(jì)算分析可以得出，在傳輸2048個(gè)字節(jié)時(shí)，CANFD協(xié)議如果僅僅是提升數(shù)據(jù)段的波特率到2Mb/s，字節(jié)長(zhǎng)度不變的情況下，相較于傳統(tǒng)CAN速率會(huì)提升29.3%，這與前面分析的傳輸一幀報(bào)文的速率提升一致，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大到64字節(jié)時(shí)，同樣是傳輸2048字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)段波特率為2Mb/s，相較于傳統(tǒng)CAN，速率會(huì)提升72%。

3 CANFD在刷寫(xiě)中的實(shí)際應(yīng)用

CANFD最大可支持的長(zhǎng)度是64字節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)的UDS刷寫(xiě)協(xié)議［6］是針對(duì)8字節(jié)的傳統(tǒng)CAN，所以如果要用CANFD協(xié)議刷寫(xiě)，需要修改傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同時(shí)兼容8字節(jié)，最大64字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3.1 傳統(tǒng)ISO 15765-2協(xié)議的升級(jí)

相較于傳統(tǒng)的ISO 15765-2協(xié)議，在CANFD協(xié)議刷寫(xiě)的過(guò)程中，需要通過(guò)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)決定單幀的字節(jié)長(zhǎng)度究竟是使用哪個(gè)字節(jié)來(lái)表示，如表4所示，如果CANFD協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度大于8，則通過(guò)Byte1來(lái)表示有效字節(jié)長(zhǎng)度，如果是等于8的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，依然使用傳統(tǒng)的Byte0的Bit3-0表示有效字節(jié)長(zhǎng)度［5］。

表4 ISO 15765-2升級(jí)

3.2 CANFD協(xié)議在刷寫(xiě)中的實(shí)際應(yīng)用

圖2是傳統(tǒng)CAN采用1Mb/s波特率刷寫(xiě)一段完整的程序數(shù)據(jù)的報(bào)文記錄，用時(shí)209.199s-17.941s=191.258s。

圖2 傳統(tǒng)CAN-1Mb/s刷寫(xiě)時(shí)間

同一段程序數(shù)據(jù)采用CANFD協(xié)議，仲裁段1Mb/s，數(shù)據(jù)段2Mb/s的波特率，最大是8字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行刷寫(xiě)，用時(shí)229.188s-66.000s=163.188s，如圖3所示。

綜合實(shí)際測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)段不同波特率和不同最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的情況下，同一段程序數(shù)據(jù)的刷寫(xiě)所用的時(shí)間和傳統(tǒng)CAN波特率是1Mb/s的刷寫(xiě)時(shí)間及速率提升見(jiàn)表5。

圖3 CANFD-1Mb/s-2Mb/s-8字節(jié)

表5 不同波特率不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度下刷寫(xiě)情況

圖4 CANFD-1Mb/s-2Mb/s擦除等待

圖5 CAN-1Mb/s擦除等待

在實(shí)際刷寫(xiě)應(yīng)用中，CANFD在提升數(shù)據(jù)段波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的情況下，提升速率與理論計(jì)算傳輸2048個(gè)字節(jié)的傳輸提升速率有偏差，主要是因?yàn)?，在傳統(tǒng)的刷寫(xiě)流程［6］中有寫(xiě)入等待，擦除等待，數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)等待，在線監(jiān)測(cè)等時(shí)間優(yōu)化是微小的，如圖4和圖5，分別截取了CANFD和傳統(tǒng)CAN協(xié)議刷寫(xiě)過(guò)程擦除同一塊Block時(shí)的擦除等待時(shí)間，可以通過(guò)時(shí)間戳看出，CANFD協(xié)議在刷寫(xiě)過(guò)程中的擦除等待時(shí)間如圖4所示：72.380s-53.948s=18.432s，擦除同一塊區(qū)域，傳統(tǒng)CAN協(xié)議等待時(shí)間如圖5所示，57.840s-38.455s=19.385s。CANFD協(xié)議與傳統(tǒng)CAN協(xié)議在擦除同一塊區(qū)域的時(shí)間僅僅差了19.385s-18.432s=0.953s，這個(gè)差距主要是因?yàn)镃ANFD協(xié)議數(shù)據(jù)段提升了速率，發(fā)送報(bào)文的時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。刷寫(xiě)的過(guò)程中是按照單片機(jī)的Block塊進(jìn)行擦除寫(xiě)入的，在擦寫(xiě)時(shí)會(huì)根據(jù)Block塊的大小有不同的等待時(shí)間，在這些不可優(yōu)化的流程上，CANFD是沒(méi)有優(yōu)勢(shì)的，所以CANFD的優(yōu)勢(shì)在刷寫(xiě)流程中主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中。

4 結(jié)論

本文介紹了CANFD協(xié)議相較于傳統(tǒng)CAN的升級(jí)，以及分析了CANFD協(xié)議在數(shù)據(jù)段不同波特率，不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度情況下一幀報(bào)文的傳輸時(shí)間的不同，比較了CANFD協(xié)議傳輸一幀8字節(jié)的報(bào)文和傳統(tǒng)CAN傳輸一幀報(bào)文所用時(shí)間的差異和速率提升，CANFD在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)波特率提升主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)段，仲裁段的波特率最大是1Mb/s。通過(guò)理論計(jì)算分析了傳輸同一塊2048個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，CANFD協(xié)議在不同數(shù)據(jù)段波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度下的用時(shí)和相較于傳統(tǒng)CAN的速率提升。實(shí)際應(yīng)用中，基于CANFD協(xié)議刷寫(xiě)功能的開(kāi)發(fā)，在傳統(tǒng)ISO 15765-2不滿足數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的地方做了升級(jí)。刷寫(xiě)一段完整的程序數(shù)據(jù)，不同波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)分別做了時(shí)間戳的記錄，分析計(jì)算不同情況下的用時(shí)，并針對(duì)理論計(jì)算的速度提升率和實(shí)際應(yīng)用中速度的提升率差異作了分析。通過(guò)研究分析，CANFD協(xié)議在實(shí)際刷寫(xiě)過(guò)程中優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸階段，在擦除和寫(xiě)入過(guò)程中的等待時(shí)間無(wú)法優(yōu)化。