汽車CAN-FD總線通信應(yīng)用研究

孫建蕾 陳博 尹榮彬

（1. 中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室, 長春130013）

主題詞：CAN-FD 自動駕駛 帶寬

縮略語

CAN-FD CAN With Flexible Data-Rate

DLC Data Length Code

OSI Open Systems Interconnection

LLC Logical Link Control

MAC Media Access Control

OTA Over-the-Air Technology

HIL Hardware In the Loop

ADAS Advanced Driver Assistant System

PDU Protocol Data Unit

ASIL Automotive Safety Integration Level

1 前言

隨著智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛的飛速發(fā)展和社會需求的增長，汽車各控制系統(tǒng)間的信息交互對數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸時延要求亦迅猛提高。CAN通信方案最初是在1986 年的SAE 大會上由Bosch 提出，由于其可靠性及強兼容性好被全球的OEM 廣泛采用。但傳統(tǒng)的車載CAN總線最高支持500 kbit/s的傳輸速率，每幀只能承載8 bytes的數(shù)據(jù)，由于傳輸速率和數(shù)據(jù)長度的限制，在自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)對網(wǎng)絡(luò)通信的高要求背景下，使用傳統(tǒng)CAN 通信勢必會導致總線負載率過高從而導致網(wǎng)絡(luò)擁堵，傳統(tǒng)CAN總線通信的瓶頸逐漸凸顯。

2011年，為滿足帶寬和可靠性的需求，Bosch首次發(fā)布了CAN-FD(CAN With Flexible Data-Rate)方案，CAN-FD 繼承了傳統(tǒng)CAN 總線的主要特性，使用改動較小的物理層，雙線串行通信協(xié)議，依然基于非破壞性仲裁技術(shù)，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制，在此基礎(chǔ)上對帶寬和數(shù)據(jù)長度進行優(yōu)化，將逐步取代傳統(tǒng)CAN成為下一代主流汽車總線系統(tǒng)，與車載以太網(wǎng)搭配構(gòu)建未來汽車的網(wǎng)絡(luò)骨架[1]。

2 CAN-FD概述

2.1 基于OSI參考模型的CAN-FD 協(xié)議分層

CAN-FD 的協(xié)議架構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)分層）與傳統(tǒng)CAN 保持一致，故后文中對協(xié)議架構(gòu)部分的說明將不對CAN與CAN-FD進行區(qū)分。

CAN 協(xié)議也是基于ISO/IEC 7498-1 中規(guī)定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)基本參考模型，該模型將通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為7 層。自上而下分別為應(yīng)用層（層7）、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（層1）[2]?？紤]到CAN 作為工業(yè)測控底層網(wǎng)絡(luò)，其信息傳輸量相對較少，信息傳輸?shù)膶崟r性要求較高，網(wǎng)絡(luò)連接方式相對較簡單，因此，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)底層只采用了OSI 7 層通信模型的最低2 層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在高層只有應(yīng)用層。CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層。物理層定義信號怎樣傳輸，完成電氣連接，實現(xiàn)驅(qū)動器/接收器特性；MAC 子層是實現(xiàn)CAN 協(xié)議的核心，它的功能主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定；LLC 子層的功能主要是報文濾波、超載通知和恢復管理[3]。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由CAN 接口器件來完成。應(yīng)用層的功能是由微處理器完成的。在ISO 11898 中對CAN 協(xié)議層級與OSI 模型層級的關(guān)系進行了說明，圖1 描述了CAN 協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層與OSI 模型的關(guān)系[4]。

圖1 CAN分層結(jié)構(gòu)與OSI模型對比[4]

2.2 CAN-FD優(yōu)勢分析

CAN-FD 相比傳統(tǒng)CAN 總線，其優(yōu)勢主要有以下3點。

（1）傳輸速率更快

FD 全稱是Flexible Data-Rate,顧名思義，表示CAN-FD 的幀報文具有數(shù)據(jù)場波特率可變的特性，即仲裁場合數(shù)據(jù)控制場使用標準的通信波特率，而到數(shù)據(jù)場就會切換為更高的通信波特率，車端常用的為2 Mbit/s和5 Mbit/s,從而達到提高通信速率的目的[4]。

圖2 CAN標準幀結(jié)構(gòu)[4]

圖3 CAN-FD標準幀結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)長度最大為16 bytes）[4]

圖4 CAN-FD標準幀結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)長度為20～64 bytes）[4]

（2）有效數(shù)據(jù)場更長

傳統(tǒng)CAN 報文標準幀的有效數(shù)據(jù)場只有8 bytes，每幀攜帶的數(shù)據(jù)量很少，CAN-FD 對有效數(shù)據(jù)場的長度進行了很大的擴充，標準幀的有效數(shù)據(jù)場最大可達到64 bytes，大大提高了每幀報文中所能攜帶的數(shù)據(jù)量。

（3）更小的改動

CAN-FD 保留了傳統(tǒng)CAN 總線協(xié)議的核心特征，這使得在ECU 和收發(fā)器等硬件層面上相較于車載以太網(wǎng)更易實現(xiàn)和應(yīng)用，且由于CAN-FD 與傳統(tǒng)CAN 對物理層的要求基本一致，CAN-FD 的ECU 和收發(fā)器對傳統(tǒng)CAN 兼容，OEM 不論是采用直接升級為CANFD 總線的方案還是在切換過渡的階段先采用混網(wǎng)的方案[5]，在技術(shù)實現(xiàn)和開發(fā)成本控制層面都可以達到預期。

3 CAN-FD在產(chǎn)品車型上的應(yīng)用

以某車型為例，該項目已對CAN-FD 網(wǎng)絡(luò)進行了量產(chǎn)化應(yīng)用，該項目基于電子電氣功能架構(gòu)搭建了集合多種車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集信息域、互聯(lián)域、自動駕駛域、底盤動力域的多域融合的一汽新一代整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)具備支持拓展L2+級自動駕駛和整車級OTA 技術(shù)的能力，具有高功能安全、高信息安全的技術(shù)優(yōu)勢。

3.1 功能定義

本車型CAN-FD 部分主要實現(xiàn)ADAS自動駕駛和動力車控等功能，ADAS 功能分為駕駛智能輔助功能和自動駕駛功能，包括撥桿換道、自動換道、自適應(yīng)巡航、高速代駕、擁堵跟車、自動泊車等基本或高階的功能，涉及到ADAS 域控制器與感知傳感器、底盤、動力等執(zhí)行控制器的控制交互。

3.2 方案設(shè)計

對于3.1 章節(jié)所描述的功能需求，在以往項目設(shè)計時多采用CAN 總線進行傳輸相關(guān)報文，但隨著ADAS 功能水平升級，這些ADAS 功能的實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信有著更高性能、低時延、高帶寬及ASIL B+的功能安全要求，傳統(tǒng)CAN通信已無法滿足。一汽紅旗在本車型上首次應(yīng)用CAN-FD 搭建ADAS 等域的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)ADAS 域控制器與感知控制器及執(zhí)行控制器之間的高實時性和穩(wěn)定性的通信傳輸。

在本車型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，將ADAS 功能相關(guān)的報文分為2 類，控制類和感知類。再根據(jù)每個單元功能的功能安全ASIL 等級確定每條報文和信號的ASIL等級，進而制定每條信號的E2E 校驗策略。由于舒適娛樂采用傳統(tǒng)CAN的網(wǎng)絡(luò)骨架，所以在中央網(wǎng)關(guān)中做了CAN 轉(zhuǎn)CAN-FD（CAN-FD 轉(zhuǎn)CAN）的功能設(shè)計，并對網(wǎng)關(guān)做了功能安全冗余設(shè)計，網(wǎng)關(guān)功能安全設(shè)計內(nèi)容在此不做贅述。

3.3 設(shè)計實現(xiàn)

3.3.1 車型CAN-FD節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本車型項目中，CAN-FD 節(jié)點主要有網(wǎng)關(guān)控制器、ADAS 域控制器、ADAS 感知控制器、動力域控制器、底盤域控制器（圖5）。其中網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)PDUCAN-FD 路由功能、CAN-CANFD 路由功能；ADAS 域控制器實現(xiàn)ADAS 規(guī)劃決策功能；ADAS 感知控制器實現(xiàn)環(huán)境感知和定位功能；動力域控制器實現(xiàn)動力分配和控制功能；底盤域控制器實現(xiàn)制動和轉(zhuǎn)向功能。

圖5 車型CAN-FD節(jié)點拓撲

3.3.2 路由策略設(shè)計

從CAN 到CAN-FD 的路由，考慮到傳輸效率，網(wǎng)關(guān)將接收到的多個CAN 報文打包到一個CAN-FD 報文中進行發(fā)送，為保證報文矩陣的可擴展性和打包解析的便利性，CAN-FD 中每8個bytes 與傳統(tǒng)CAN 報文相對應(yīng)，每連續(xù)的8 bytes 中至少預留32 bits 用于未來功能的擴展。CAN-FD報文數(shù)據(jù)部分設(shè)計為如圖6。

圖6 CAN-FD路由CAN-FD報文數(shù)據(jù)場結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的報文路由形式分為CAN-CAN 路由，CANCANFD 路由和CANFD-CAN 路由3 種，CAN-CAN 路由遵循傳統(tǒng)CAN 路由原則，在此不做贅述，后文主要對后2種路由形式進行詳細說明。

CAN-CANFD路由：

網(wǎng)關(guān)可以將多條報文進行組包后轉(zhuǎn)發(fā)，也可以不組包單報文轉(zhuǎn)發(fā)；單報文轉(zhuǎn)發(fā)僅改變源網(wǎng)段報文的ID和報文類型（幀結(jié)構(gòu)和傳輸速率），但不改變數(shù)據(jù)場里信號的位置和數(shù)據(jù)場長度（DLC），這種轉(zhuǎn)發(fā)形式稱為報文路由。直接路由可以通過底層軟件自己完成，不需要上層軟件的參與，路由時間延遲低，一般可控制器在2 ms以內(nèi)。

圖7 報文路由過程示例

CANFD-CAN路由：

CAN-FD 到CAN 總線的消息轉(zhuǎn)發(fā)需要將DLC 長達64 bytes 的CAN-FD 的消息幀拆分為多個DLC 最長為8 bytes的CAN消息幀，需要數(shù)據(jù)場中的信號拆分重組，改變報文的ID、報文類型、DLC 長度以及信號位置，這種路由方式稱為信號路由。信號路由過程需要上層軟件的參與，路由時延相比報文路由要高一些，想實現(xiàn)功能安全，網(wǎng)關(guān)也需要做更多的安全冗余設(shè)計工作。

3.4 CAN-FD通信性能驗證

針對本項目設(shè)計，搭建了臺架對CAN-FD 相關(guān)節(jié)點進行了一致性測試和硬件在環(huán)（Hardware In the Loop，HIL）驗證，在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標如總線負載率、吞吐量、平均時延和峰值時延、網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)效率都得出了不錯的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖8 信號路由過程示例

4 基于CAN-FD的新一代汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)、V2X 和自動駕駛對汽車網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低延遲的高要求，使得以傳統(tǒng)CAN為骨架的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已逐步退出歷史舞臺。車載以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為高帶寬提供了可能性，但車載以太網(wǎng)由于其點對點通信和非實時的協(xié)議特性使其無法滿足車控功能對高實時性和一對多通信的需求，而CAN-FD 基于傳統(tǒng)CAN 的核心特征，繼承了總線仲裁和廣播通信特性，非常適用于車控信息的交互。利用CAN-FD 與車載以太網(wǎng)的協(xié)議特征，主機廠已構(gòu)建出以CAN-FD 和車載以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)骨架的新一代智能汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

車載以太網(wǎng)在一汽的量產(chǎn)車型上也已得到應(yīng)用，用于實現(xiàn)了安全防護、車況查詢、遠程控制、手機泊車、移動網(wǎng)絡(luò)、WiFi 功能、定位導航、信息推送方面功能。在該車型上，以車載以太網(wǎng)和CAN-FD 為主干網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)工程師搭建了面向服務(wù)的集信息域、互聯(lián)域、自動駕駛域、底盤域的多域融合的新一代整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

5 結(jié)束語

本文以某車型的實際應(yīng)用為例講述了CAN-FD在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用必要性和可操作性，以及基于當前技術(shù)現(xiàn)狀的應(yīng)用解決方案，通過本文的介紹，可以得出以下結(jié)論和啟示。

（1）隨著自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)快速發(fā)展，越來越高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的需求，使得傳統(tǒng)的CAN總線協(xié)議已逐漸無法滿足智能車輛需求。

（2）CAN-FD 由于繼承了傳統(tǒng)CAN 總線協(xié)議的核心優(yōu)良特征，有著很好的穩(wěn)定性，技術(shù)難度較低，具備更高的傳輸速率的同時通過總線仲裁的策略保證重要車控報文的低延遲，將逐漸取代傳統(tǒng)CAN總線成為新一代主流車載總線協(xié)議。

（3）CAN-FD 與車載以太網(wǎng)搭配取長補短，基本可以全面覆蓋未來智能駕駛汽車的車端網(wǎng)絡(luò)通信需求，成為新一代面向智能汽車和面向服務(wù)的骨干網(wǎng)絡(luò)。