CANFD协议实用指南

CANFD合同实用指南“您与否需要一份CANFD合同的简要的实用指南？”---来自虹科的问候。在本指南中，我们会介绍CANFD（CANFlexibleData-rate），涉及：CANFD框架，开销和效率，示例应用和CSS的CANFD统计仪案例，以及CANFD的发展趋势。CANFD看起来很复杂，因此，本指南旨在提供一种通俗易懂的视觉介绍，以全方面理解CANFD。为什么会出现CANFD？CAN合同自1986年问世以来就很流行：几乎任何移动的机器如今都使用CAN，无论是汽车，卡车，轮船，飞机还是机器人。但是随着当代科技的兴起，对“传统”的CAN合同（ISO11898-1:中使用的官方术语）的规定越来越高：汽车功效的高速发展正在推动数据的大爆炸网络越来越受到1Mbit/s带宽的限制为了应对这些状况，OEM发明的复杂且又昂贵的解决方案具体而言，传统CAN的开销很大（>50％），由于每个CAN数据帧只能包含8个数据字节。另外，网络速度限制为1Mbit/s，从而限制了数据生成功效的实现。CANFD解决了这些问题，使其含有前瞻性。什么是CANFD？CANFD合同是由Bosch以及行业专家预研开发的，并于公布。通过原则化对其进行了改善，现已纳入ISO11898-1:。原始的BoschCANFD版本（非ISOCANFD）与ISOCANFD是不兼容。CANFD含有四个重要优点：增加了数据的长度CANFD每个数据帧最多支持64个数据字节，而传统CAN最多支持8个数据字节。这减少了合同开销，并提高了合同效率。增加传输的速度CANFD支持双比特率：与传统CAN同样，标称（仲裁）比特率限制为1Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。事实上，能够实现高达5Mbit/s的数据比特率。更加好的可靠性CANFD使用改善的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而减少了未被检测到的错误的风险。这在汽车和工业自动化等安全攸关的应用中至关重要。平滑过渡在某些特定的状况下CANFD能用在仅使用传统CAN的ECU上，这样就能够逐步引入CANFD节点，从而为OEM简化程序和减少成本。事实上，与传统CAN相比，CANFD能够将网络带宽提高3到8倍，从而为数据的增加提供了一种简朴的解决方案。CANFD是怎么工作的？CANFD看起来很简朴：加紧数据传输速度，并让每个消息的信息量增加，对吗？但是事实上，并不是那么简朴。下面我们概述了CANFD的解决方案所必须应对的重要挑战。两个核心的挑战在查看CANFD数据帧之前，我们核心是要理解想要维持的传统CAN的两个核心部分：避免核心消息延迟为什么不简朴地将64个字节的数据打包进传统的CAN里面呢？这样做能够减少开销并简化消息解释。然而，如果比特率不变，这也会占用CAN总线更长时间，从而可能延迟带有核心任务的更高优先级的数据帧。保持CAN线事实上的长度每条消息发送更多数据需要更高的速度。那为什么不加速整个CAN消息（而不仅仅是数据段）呢？这是由于“仲裁”：如果2个以上的节点同时发送数据，则仲裁将决定哪个节点含有优先权。“优胜者”继续发送（无延迟），而其它节点会退出仲裁过程并转变成接受方。有关“位时间”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映。为确保在位时间内达成每个节点，以1Mbit/s的速度运行的CAN网络的最大长度应为40米（事实上为25米）。加紧仲裁段的速度会将总线最大长度减少到不适宜的长度水平。另首先，仲裁段之后有一条“空旷的高速公路”，可在数据传输期间（只有一种节点在驱动总线时）实现高速传输。在ACK时隙之前（当多个节点确认对的接受数据帧时）速度需要减少到标称比特率。因此，有必要找到一种办法，只在数据传输过程中提高速度。解决方案：CANFD框架CANFD合同引入了通过调节的CAN数据帧，以实现额外的数据字节和灵活的比特率。下面我们比较一种11位的传统CAN帧与一种11位的CANFD帧（同时也支持29位）：下面我们一步一步地讨论这些差别：RTRvs.RRS：传统CAN中使用了远程传输请求（RTR）来识别数据帧和对应的远程帧。在CANFD中，根本不支持远程帧，远程请求替代（RRS）始终是显性（0）。r0vs.FDF：在传统CAN中，r0为保存显性（0），在CANFD中，称为FDF，为隐性（1）。在r0/FDF位之后，CANFD合同增加了“3个新位”。请注意，不含有CANFD功效的节点在FDF位之后会产生错误帧。res：这个新的保存位起着与r0相似的作用——也就是说，将来它能够被设立为隐性(1)来表达一种新的合同。BRS：比特率开关（BRS）可觉得显性（0），这意味着CANFD数据帧以仲裁速率（即最高1Mbit/s）发送。将其设立为隐性（1）意味着数据帧的其它部分以更高的比特率（最高5Mbit/s）发送。ESI：错误状态批示器（ESI）位默认为显性（0），即“错误有效”。如果发送器变为“被动错误”，则将隐性（1）表达它处在被动错误模式。DLC：像在传统CAN中同样，CANFDDLC是4位，表达帧中数据字节的数量。上表显示了这两种合同如何始终使用多达8个数据字节的DLC。为了维持4位DLC，CANFD使用从9到15的其它7个值来表达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个格雷编码位和一种奇偶校验位构成。随即的固定填充位能够视为第二个奇偶校验位。添加了SBC以提高通信可靠性。CRC：传统CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CANFD中为17位（最多16个数据字节）或21位（20-64个数据字节）。在传统CAN中，CRC中能够包含0到3个填充位，而在CANFD中，总是有四个固定填充位以提高通信可靠性。ACK：CANFD数据帧的数据段（也称为有效负载）停止在ACK位，这也标志着可变比特率的结束。CANFD与CAN的开销和数据效率的对比与传统CAN相比，CANFD的新增功效增加了诸多额外的位，CANFD如何能高效地减少开销？答案是：它并没有。请看下面3个数据字节的传统CAN与CANFD的可视化图。事实上，超出8个数据字节前，CANFD的效率都不会超出传统CAN。但是，当数据长度向64个数据字节靠拢时，效率是从50％提高至90％。对速度的需要：采用启动比特率转换（BRS）如上图可知，CANFD以常规速度发送64个数据字节将阻塞CAN总线，减少实时性能。为理解决这个问题，能够启用比特率切换，允许更高的速率（例如5Mbit/s的数据段波特率对比仲裁段的1Mbit/s）发送有效载荷。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，较高的速度合用于以BRS位开始并以CRC分隔符结束的数据帧部分。另外，当今大多数车辆使用0.25-0.5Mbit/s，这意味着以5Mbit/s的速度，CANFD将是有效载荷传输速度的10倍。有关传统CAN和CANFD节点的结合如前所述，传统CAN和CANFD节点能够在某些条件下混合使用。这样就能够逐步向CANFD迁移，而不必一次切换每个ECU。存在两种状况：100％CANFD系统：在这里，CANFD控制器能够自由混合传统CAN和CANFD数据帧。某些遗留节点是传统CAN：在此，CANFD控制器能够切换到典型CAN通信，以避免与典型CAN节点通信参加错误帧。另外，在刷写ECU时，传统的CAN节点可能会关闭以允许临时转换为CANFD通信。CANFD最大的比特率是多少？CANFD的一种令人困惑的方面是有效负载阶段的最大比特率，由于不同的文章提到了不同的级别。有人指出，实际应用中能够达成8Mbit/s，理论上能够达成15Mbit/s。其它则规定最高为12Mbit/s。另外，戴姆勒指出，超出5Mbit/s的速度是值得怀疑的，既没有原则，又由于低成本的汽车以太网（10BASE-T1）有望限制对CANFD的更高需求。那么什么是对的的呢?这得看状况，从ISO11898-2（收发器芯片原则）来看，它指定了两个对称参数集。推荐使用那些含有改善的对称参数，普通宣传为5mbit/s的收发器。可达成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畴。刷写ECU时不需要保持低温状态。这意味着对于刷写ECU，可能会达成12Mbit/s。另一种重要的比特率限制是由所选的拓扑引发的。对比长分支甚至星形的混合拓扑，短分支的总线拓扑能够明显提高比特率。对于-40摄氏度至+125摄氏度的温度范畴，大多数多分支总线线路网络被限制为2Mbit/s。CiA在CiA601-3网络设计建议中提供了适宜的经验法则。这涉及在数据阶段设立采样点的建议。CANFD计算器工具：效率和比特率要具体理解CANFD效率和平均比特率，我们建议您查一下我们的CANFD计算器(可向虹科咨询索要CANFD计算器)。这个CANFD计算器是一种在线可编辑的表格，能够根据顾客输入不同的报文内容进行CAN和CANFD的效率对比，同时会提供对应的直观效率曲线。CANFD的应用场景介绍简而言之，CANFD以更快的速度解决更多的数据。这对于某些日益有关的用例是至关重要的:电动汽车电动汽车和混合动力汽车使用规定更高比特率的新动力总成概念。新的控制单元涉及到DC/DC逆变器、电池、充电器以及增程器等，从而增加了复杂性。到2025年，预计所需的比特率将超出CAN，随着电动汽车的爆炸性增加，这可能是最先应用CANFD的领域。ECU刷写车载软件变得越来越复杂。因此，通过例如OBD2端口执行ECU固件更新需要花几个小时。使用CANFD，能够使这类过程的速度提高4倍以上。该用例始终是汽车OEM需求CANFD的原始驱动因素之一。机器人几个应用程序依赖于时间同时行为。例如多轴机器人手臂。这类设备普通使用CANopen，并且每个控制器都需要与时间同时发送多个CAN帧（PDO）（不会受到较高优先级帧的干扰。通过转换为CANFD，原有多帧的数据能够通过单帧发送，从而提高效率。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）。这给典型CAN的总线负载带来了压力，而ADAS是提高安全性的核心。在这里，CANFD将在很快的将来成为增强安全驾驶的核心。客车和货车客车和货车使用较长的CAN总线（10-20米）。因此普通它们基于低速比特率（根据J1939-14，为250kbit/s或500kbit/s）。在这里，即将到来的J1939FD

合同有望在商用车功效方面实现重大改善，其中涉及例如ADAS。加密CAN总线如近来的CAN黑客攻击所示，传统CAN容易受到攻击。如果黑客能够访问CAN总线（例如无线），则能够关闭核心功效。通过安全车载通信（SecOC）模块进行的CANFD身份验证可能是密钥推出的核心。CSS统计CANFD数据应用案例随着CANFD的兴起，将有几个统计CANFD数据的使用案例：统计汽车数据随着新车的推出，CANFD数据统计仪将成为统计汽车OBD2数据的核心重型车队远程信息解决兼容J1939灵活数据速率的IoTCANFD统计仪将是将来重型远程信息解决的核心预见性维护随着CANopenFD的推出，新的工业机械将需要CANFD物联网统计器，以协助预测和避免故障车辆或者机器的“黑匣子”一种CANFD统计器能够作为一种“黑匣子”，例如新的原型车辆，为诊疗和研发提供数据CANFD的趋势CANFD预计在将来几年将取代传统CAN：首批支持CANFD的汽车将于/上市最初推出可能会使用2Mbit/s，然后逐步过渡到5Mbit/s的数据比特率CANopenFD已通过Ci