CANFD 協(xié)議在程序刷寫中的研究與應(yīng)用

潘文卿，劉興義，王飛飛，宋炳雨，穆大蕓

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

在汽車領(lǐng)域，因為功能越來越多，越來越復(fù)雜，負載率越來越高，傳統(tǒng)CAN總線難以滿足當前需求，又不可能直接放棄傳統(tǒng)CAN總線技術(shù)，為了解決負載率問題還要兼容傳統(tǒng)的CAN總線，CANFD應(yīng)運而生。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)上升級了波特率和數(shù)據(jù)長度的兩大特性，在數(shù)據(jù)段傳輸時既可以提升速率又可以增加數(shù)據(jù)長度，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間，CANFD同時還繼承了傳統(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)，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制。

1 CANFD簡介

1.1 CANFD與CAN

對比傳統(tǒng)的CAN［1］如圖1所示。

1）CANFD不支持遠程幀，所以原來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仲裁場增加BRS（Bit Rate Switch）位，1表示進行速率切換，0表示不進行速率切換。

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4個字節(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個字節(jié)的CANFD，具體編碼方式見表1。

5）CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗在傳統(tǒng)CAN的基礎(chǔ)上進行了升級，如果數(shù)據(jù)段的長度大于16個字節(jié)時，CRC的長度為21bits，小于16個字節(jié)時，CRC的長度是17bits，CANFD對CRC算法做了改變。在校驗和部分從第1位開始每4bits添加一個填充位加以分割，這個填充位的值是上一位的反碼。

6）ESI（Error State Indicator）錯誤知識狀態(tài)位，0表示CANFD節(jié)點處于主動報錯狀態(tài)，1表示CANFD節(jié)點處于被動報錯狀態(tài)［2］。

1.2 CANFD的波特率和采樣點的配置

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種兩套獨立的預(yù)分頻配置方式，采樣會有誤差，所以選用第2種配置方式。根據(jù)實際應(yīng)用中基于單片機時鐘配置，仲裁段和數(shù)據(jù)段設(shè)置相同的分頻因子。同時考慮仲裁段和數(shù)據(jù)段的波特率都會在1Mb/s以上，為保證信號采集的準確性，采樣點的配置需要大于80%以上。

2 CANFD數(shù)據(jù)傳輸理論計算

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

根據(jù)實際應(yīng)用中CANFD報文的仲裁段按照1Mb/s波特率配置，其中BRS速率切換指示位是數(shù)據(jù)段波特率加速過渡階段，BRS階段前半段為仲裁段，會采用仲裁段的波特率，后半段采用數(shù)據(jù)段的波特率，所以計算BRS的整體脈寬則是分別取兩種波特率脈寬的一半，進行累加，CRC界定符同理［4］。仲裁段按照圖1的幀格式計算傳輸時間為45μs，數(shù)據(jù)段按照不同的波特率和不同數(shù)據(jù)長度，傳輸時間見表2。

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

表2 數(shù)據(jù)段不同配置對應(yīng)報文時間

對比分析同樣是一幀8字節(jié)數(shù)據(jù)的報文，傳統(tǒng)CAN采用1Mb/s波特率，需要128μs；通過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。整條報文的傳輸時間相較于傳統(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：①CANFD的數(shù)據(jù)長度加長了，傳統(tǒng)CAN是128bits，CANFD是136bits；②數(shù)據(jù)傳輸時間提升是在數(shù)據(jù)段的91bits，仲裁段的45bits依然是按照1Mb/s的波特率，1μs/bit的時間傳輸。

CANFD在刷寫中的理論計算如下。

如果要傳輸2048個字節(jié)的數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)的UDS刷寫協(xié)議［6］，采用傳統(tǒng)CAN-1Mb/s的波特率傳輸，需要295條報文，理論計算用時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)長度8字節(jié)，理論計算用時295*90.5μs=26697.5μs。第二種情況：最大數(shù)據(jù)長度是64字節(jié)，需要32條64字節(jié)報文，1條48字節(jié)報文，2條8字節(jié)報文；理論計算用時，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

通過理論計算分析可以得出，在傳輸2048個字節(jié)時，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)長度不變的情況下，相較于傳統(tǒng)CAN速率會提升29.3%，這與前面分析的傳輸一幀報文的速率提升一致，當數(shù)據(jù)長度最大到64字節(jié)時，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，速率會提升72%。

3 CANFD在刷寫中的實際應(yīng)用

CANFD最大可支持的長度是64字節(jié)，標準的UDS刷寫協(xié)議［6］是針對8字節(jié)的傳統(tǒng)CAN，所以如果要用CANFD協(xié)議刷寫，需要修改傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同時兼容8字節(jié)，最大64字節(jié)的數(shù)據(jù)長度。

3.1 傳統(tǒng)ISO 15765-2協(xié)議的升級

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

表4 ISO 15765-2升級

3.2 CANFD協(xié)議在刷寫中的實際應(yīng)用

圖2是傳統(tǒng)CAN采用1Mb/s波特率刷寫一段完整的程序數(shù)據(jù)的報文記錄，用時209.199s-17.941s=191.258s。

圖2 傳統(tǒng)CAN-1Mb/s刷寫時間

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)長度進行刷寫，用時229.188s-66.000s=163.188s，如圖3所示。

綜合實際測試結(jié)果，數(shù)據(jù)段不同波特率和不同最大數(shù)據(jù)長度的情況下，同一段程序數(shù)據(jù)的刷寫所用的時間和傳統(tǒng)CAN波特率是1Mb/s的刷寫時間及速率提升見表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)長度下刷寫情況

圖4 CANFD-1Mb/s-2Mb/s擦除等待

圖5 CAN-1Mb/s擦除等待

在實際刷寫應(yīng)用中，CANFD在提升數(shù)據(jù)段波特率和數(shù)據(jù)長度的情況下，提升速率與理論計算傳輸2048個字節(jié)的傳輸提升速率有偏差，主要是因為，在傳統(tǒng)的刷寫流程［6］中有寫入等待，擦除等待，數(shù)據(jù)一致性校驗等待，在線監(jiān)測等時間優(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)議刷寫過程擦除同一塊Block時的擦除等待時間，可以通過時間戳看出，CANFD協(xié)議在刷寫過程中的擦除等待時間如圖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)域的時間僅僅差了19.385s-18.432s=0.953s，這個差距主要是因為CANFD協(xié)議數(shù)據(jù)段提升了速率，發(fā)送報文的時間短的優(yōu)勢。刷寫的過程中是按照單片機的Block塊進行擦除寫入的，在擦寫時會根據(jù)Block塊的大小有不同的等待時間，在這些不可優(yōu)化的流程上，CANFD是沒有優(yōu)勢的，所以CANFD的優(yōu)勢在刷寫流程中主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中。

4 結(jié)論

本文介紹了CANFD協(xié)議相較于傳統(tǒng)CAN的升級，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)長度情況下一幀報文的傳輸時間的不同，比較了CANFD協(xié)議傳輸一幀8字節(jié)的報文和傳統(tǒng)CAN傳輸一幀報文所用時間的差異和速率提升，CANFD在傳輸數(shù)據(jù)時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。通過理論計算分析了傳輸同一塊2048個字節(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)長度下的用時和相較于傳統(tǒng)CAN的速率提升。實際應(yīng)用中，基于CANFD協(xié)議刷寫功能的開發(fā)，在傳統(tǒng)ISO 15765-2不滿足數(shù)據(jù)長度的地方做了升級。刷寫一段完整的程序數(shù)據(jù)，不同波特率和數(shù)據(jù)長度時分別做了時間戳的記錄，分析計算不同情況下的用時，并針對理論計算的速度提升率和實際應(yīng)用中速度的提升率差異作了分析。通過研究分析，CANFD協(xié)議在實際刷寫過程中優(yōu)勢主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸階段，在擦除和寫入過程中的等待時間無法優(yōu)化。