車載CAN FD總線終端電阻的優(yōu)化研究

南金瑞，陳 威，何 泳，曹萬科，張 峰

(1.北京理工大學(xué) 深圳汽車研究院，深圳518000；2.北京理工大學(xué) 電動車輛國家工程研究中心，北京 100081)

隨著電子部件數(shù)量的快速增長和性能的不斷提高，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足需求，為此CAN FD應(yīng)運而生[1-3].通信速率的大幅提升，數(shù)據(jù)場長度的變化，由CAN網(wǎng)絡(luò)升級到CAN FD網(wǎng)絡(luò)，在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層方面還有許多問題亟待解決.CAN FD接口電路的眾多元器件中，終端匹配電阻對總線信號的影響最大[4-6].文章將對總線電阻匹配方式進(jìn)行研究.

1 CAN FD總線的特點

CAN FD繼承了CAN總線的主要特性.支持CAN FD協(xié)議的節(jié)點能夠完全兼容傳統(tǒng)CAN.CAN FD總線與CAN總線的區(qū)別主要在可變速率、新的數(shù)據(jù)場長度以及新的CRC校驗方法等方面[7-9].CAN FD協(xié)議的這些改進(jìn)可以有效地降低總線負(fù)載率并提高總線可靠性.

(1)可變速率：CAN FD數(shù)據(jù)幀可以采用兩種不同的比特率.用于控制命令的“仲裁字段”速率取決于傳播速度和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，用于數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)安全性的“數(shù)據(jù)場”速率，已經(jīng)有支持5 Mbit/s數(shù)據(jù)場速率的收發(fā)器芯片.CAN FD具有靈活的可變數(shù)據(jù)波特率，理論上可以在數(shù)據(jù)段中實現(xiàn)高達(dá)15 Mbit/s的通信波特率，BRS位和CRC分界符中間的位以變化后的高速率傳輸，其余部分以原CAN總線速率傳輸.

(2)數(shù)據(jù)場長度的擴(kuò)展：CAN FD的數(shù)據(jù)場長度最多可達(dá)到64字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率.

(3)新型的CRC校驗：主要有3點區(qū)別.①CAN FD在計算CRC值時，計算的位流包括了之前的填充位，而傳統(tǒng)CAN則是去掉填充位之后，用其余的位流進(jìn)行CRC計算；②CAN FD的CRC場本身的位填充是在固定的位置，而傳統(tǒng)CAN的CRC場的填充位還是按照正常的位填充規(guī)則；③多項式不同，CAN FD總線的數(shù)據(jù)場在16字節(jié)以內(nèi)用CRC17，場在17到64之間的用CRC21，而傳統(tǒng)總線用的是CRC15.

2 CAN/CAN FD總線終端電阻優(yōu)化算法

在高速電路中，為了避免因為阻抗不匹配而導(dǎo)致的信號反射問題，需要進(jìn)行阻抗匹配[10].反射系數(shù)可以反映反射強(qiáng)度的大小，定義如式(1)所示:

(1)

式中：ρ代表反射系數(shù)；Vin代表入射電壓；Vre代表反射電壓；Zt代表負(fù)載阻抗；Zo代表傳輸線阻抗.

由式(1)可知，當(dāng)負(fù)載阻抗Zt和傳輸線阻抗Z0相等時，反射系數(shù)為0,就不會產(chǎn)生反射現(xiàn)象.以往的終端電阻匹配方法只是在特定的EUC兩端，或者總線的某些特定位置匹配終端電阻，其它ECU兩端直接并聯(lián)一個千歐級別的大阻值電阻或直接懸空.文中采用的方法給每個ECU兩端都匹配一個合理的終端電阻，從而使總線信號質(zhì)量最佳.

收發(fā)器接口電路中的終端電阻對總線的信號質(zhì)量水平有著顯著的影響.優(yōu)化終端電阻的目標(biāo)就是優(yōu)化總線的信號質(zhì)量.因此，必須建立總線信號質(zhì)量的量化評價標(biāo)準(zhǔn).評價總線信號的指標(biāo)主要有顯/隱性差分電壓值、上升時間、超調(diào)量.

2.1 總線電壓值的量化評價指標(biāo)

總線信號的電壓值是決定網(wǎng)絡(luò)是否能夠成功通信的重要指標(biāo)[4-7].總線的電壓值分為3種:CANH電壓、CANL電壓和差分電壓.國際標(biāo)準(zhǔn)對這3種電壓的規(guī)定如表1所示.

表1 電壓水平的國際標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1所示，制定總線電壓水平的量化評價指標(biāo).由于差分信號是CANH和CANL信號線的綜合結(jié)果.文章取顯性差分電壓1.5～3.0 V，隱性差分電壓-0.5～0.05 V的量化評價標(biāo)準(zhǔn)，顯性差分電壓Vd和隱性差分電壓Vr評價函數(shù)f1和f2分別如式(2)和(3)所示.

(2)

(3)

由上式可知，顯性差分電壓和隱性差分電壓的評價函數(shù)為無量綱值，并且在0～1之間，實現(xiàn)了評價函數(shù)的去量綱化和歸一化.顯性差分電壓和隱性差分電壓的評價函數(shù)越小，總線的信號質(zhì)量越好.CAN控制器在采樣點處采集電壓水平，所以，文章以采樣點處的差分電壓值作為差分電壓的穩(wěn)態(tài)值.

2.2 信號上升時間量化評價標(biāo)準(zhǔn)

信號的上升時間是指脈沖的瞬時值最初到達(dá)規(guī)定下限和規(guī)定上限的兩個時刻之間的間隔.文中的上升時間是計算從10%上升到90%所經(jīng)歷的時間.下降時間TD的量化評價函數(shù)f3和上升時間TR的量化評價函數(shù)f4分別如式(4)和(5)所示.

(4)

(5)

式中：Tbit代表CAN/CAN FD通信的一個位時間.

由上式可以看出上升時間和下降時間的量化評價函數(shù)實現(xiàn)了去量綱化和歸一化.上升和下降時間越小，總線的信號質(zhì)量就越好.所以，上升時間和下降時間的量化評價函數(shù)越小，總線的信號質(zhì)量就越好.

2.3 信號超調(diào)量量化評價指標(biāo)

超調(diào)量是信號電壓水平超過其穩(wěn)定電壓值的百分比.文中的超調(diào)量有兩種：由顯性信號變?yōu)殡[性信號的下降沿的超調(diào)量和由隱性信號變?yōu)轱@性信號的上升沿的超調(diào)量.

下降沿超調(diào)量σD的量化評價函數(shù)f5和上升沿超調(diào)量σR的量化評價函數(shù)f6分別如式(6)和(7)所示.

(6)

(7)

式中：Vmax為總線信號電壓的最大值；Vmin為總線信號電壓的最小值；Vd為顯性差分電壓值；VR為隱性差分電壓值.下降沿超調(diào)量和上升沿超調(diào)量的量化評價函數(shù)越小，總線的信號質(zhì)量水平就越好.

2.4 優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)

由上文可知，優(yōu)化總線信號質(zhì)量的問題是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題.文中利用加權(quán)求和的方法將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題.優(yōu)化算法的單目標(biāo)函數(shù)如式(8)所示.

f=λ1·f1+λ2·f2+λ3·f3+λ4·f4+λ5·f5+λ6·f6,

(8)

式中：λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6分別是顯/隱性差分電壓、上升/下降時間、上升/下降沿超調(diào)量的量化評價指標(biāo)的加權(quán)系數(shù).

經(jīng)查閱資料[10]及實際應(yīng)用文中將這6個權(quán)重系數(shù)分別設(shè)置為0.4、0.1、0.05、0.05、0.2和0.2.f為最終的目標(biāo)函數(shù).優(yōu)化算法的目的就是找出使得目標(biāo)函數(shù)值最小的終端電阻匹配方法.

2.5 匹配算法的實現(xiàn)

文中的匹配算法是基于Saber和MATLAB的聯(lián)合仿真實現(xiàn)的，利用粒子群算法來求解最佳的終端電阻[11-12].經(jīng)過仿真及實驗發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，與采用原始的經(jīng)驗電阻值相比，采用匹配算法求得的最佳電阻值可以使得總線信號最佳.

(1) CAN/CAN FD的電路模型的建立

在Saber中建立CAN/CAN FD的電路模型，并進(jìn)行時域瞬態(tài)仿真得到CAN/CAN FD總線信號波形.使用Saber建立CAN/CAN FD的電路模型主要有4部分組成：控制器；收發(fā)器；接口電路和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).首先，對控制器進(jìn)行設(shè)置，要設(shè)置的參數(shù)包括時鐘頻率和位時間，通信速率為 500 kbit/s，時鐘頻率8 MHz/s，位時間分別設(shè)置為tseg1=12，tseg2=3，brp=1，同步跳轉(zhuǎn)寬度設(shè)置為SJW=2.其次，要選取收發(fā)器模型.收發(fā)器的作用是將控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號，通過總線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時也接收總線數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器.在Saber中建立收發(fā)器的接口電路，文中所要匹配的終端電阻就在接口電路之中，根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣㈦娐纺Ｐ?CAN/CAN FD的傳輸線使用的是雙絞線.在Saber中的電路模型如圖1所示.

圖1 電路模型圖

(2) 匹配算法的實現(xiàn)

文中所采用的方法是給每個ECU兩端都匹配一個合理的電阻.根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲行枰獌?yōu)化的終端電阻數(shù)目，決定粒子群算法的維度.每個需要“獨立”優(yōu)化的電阻作為粒子群算法的一個維度.

在執(zhí)行算法之前，需要先將Saber軟件和MATLAB軟件進(jìn)行聯(lián)合，匹配算法的實現(xiàn)流程如圖2所示.

圖2 匹配算法的實現(xiàn)流程

算法的具體求解過程如下：第二步設(shè)置算法的學(xué)習(xí)因子、種群大小、種群維度、每個維度的上下限、迭代次數(shù)、和慣性權(quán)重等參數(shù)[14].文中采用變化的慣性權(quán)重，即慣性權(quán)重隨著迭代次數(shù)的增加而減小.第七步：根據(jù)已經(jīng)更新的信息，按照公式(9)、(10)，更新粒子的速度和位置.

(9)

(10)

(11)

式中：tmax為最大迭代次數(shù)；t為當(dāng)前迭代次數(shù)；ωstart為慣性權(quán)重開始值；ωend為慣性權(quán)重結(jié)束值.

在粒子更新狀態(tài)時，可能會出現(xiàn)位置或速度超出上下限的情況，此時，令位置或速度等于上限或下限.粒子得到新的位置之后，MATLAB再將這些粒子的位置信息傳給Saber.Saber得到新的電阻匹配信息后再進(jìn)行一次仿真.Saber再把仿真后的波形數(shù)據(jù)傳給MATLAB，MATLAB再一次進(jìn)行處理.根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，計算得出每個粒子的新的適應(yīng)值.第八步：重復(fù)上述第四步到第七步，直到達(dá)到最大的迭代次數(shù).

3 仿真驗證

文中選擇如圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一共有6個節(jié)點，只有一個并接點，節(jié)點1～6的支線長度分別為2.15 m、2.3 m、2.35 m、2.55 m、2.3 m和10 m，網(wǎng)絡(luò)總長度21.65 m[13-14].CAN FD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都采用Atmel公司的SAMC21 J18A芯片.收發(fā)器選擇TJA1145 T/FD，原來的終端匹配方式是在節(jié)點4和節(jié)點6兩端分別放置120 Ω的終端電阻，其它節(jié)點都放置一個9.4 kΩ的終端電阻.在Saber軟件中建立單節(jié)點的電路模型.

圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路模型

圖4中，“LOGIC_4 CLOCK”是為CAN控制器提供晶振頻率的模塊，文中設(shè)置為8 MHz.“CAN Engine”模塊為CAN控制器模塊，其中設(shè)置相位緩沖段1為12，相位緩沖段2w為3，分配系數(shù)為1，同步跳轉(zhuǎn)寬度設(shè)置為2.在Saber中建立網(wǎng)絡(luò)電路模型.

圖4 網(wǎng)絡(luò)電路模型

粒子群算法的參數(shù)對優(yōu)化效果影響極大.仿真驗證中設(shè)置的參數(shù)如下：學(xué)習(xí)因子c1和c2都設(shè)置成為2；種群大小設(shè)置為20；種群維度是根據(jù)節(jié)點數(shù)(“獨立電阻”的數(shù)目)設(shè)置，文中設(shè)置為6；每個維度的上下限在文中就是終端電阻的取值范圍，設(shè)置為20～1 000；迭代次數(shù)設(shè)置為1 000；由于文中采用變化的慣性權(quán)重，開始時的慣性權(quán)重為0.9，結(jié)束時的慣性權(quán)重為0.4，每代線性遞減.實驗結(jié)果如表2和圖5所示.

表2 優(yōu)化前后總線信號評價指標(biāo)對比

圖5 優(yōu)化前后總線信號質(zhì)量對比

從表2和圖5可以看出，全局優(yōu)化后的總線信號質(zhì)量整體要優(yōu)于優(yōu)化前的總線信號質(zhì)量.對于顯性差分電壓、上升沿超調(diào)量和下降沿超調(diào)量這3個評價指標(biāo)，全局優(yōu)化后的總線信號要明顯優(yōu)于優(yōu)化前的總線信號.雖然，對于隱性差分電壓、上升時間和下降時間這3個評價指標(biāo)，優(yōu)化后的總線信號略差于優(yōu)化前的總線信號，但是對總線信號質(zhì)量沒有明顯影響.所以，對終端電阻的優(yōu)化可以顯著提高總線信號的質(zhì)量.

4 結(jié) 論

文中介紹了一種新的CAN/CAN FD總線終端電阻匹配方法.首先確定了總線信號質(zhì)量的評價指標(biāo)主要有顯/隱性差分電壓值、上升時間和超調(diào)量.之后采用歸一化與加權(quán)求和的方法將優(yōu)化總線信號質(zhì)量這個多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)優(yōu)化問題.最后通過Saber軟件和MATLAB聯(lián)合仿真的方式，利用粒子群算法求出這個問題的最優(yōu)解.CAN FD和傳統(tǒng)CAN在物理層上的定義相同，本方法對CAN FD和傳統(tǒng)CAN同樣有效.由于實驗條件的限制，文中只做了傳統(tǒng)CAN模式下的仿真驗證實驗.這種方法可以避免建立和求解CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，也不需要花費大量時間利用列舉法確定終端電阻.在實際工程應(yīng)用中，可以利用文章所述算法快捷準(zhǔn)確地確定CAN/CAN FD總線網(wǎng)絡(luò)的終端電阻值.