FD:从理论到实践

近日，向国际标准化组织(ISO)提交的CAN FD (CAN Flexible-Data Rate)数据链路层在国际标准草案(DIS)投票中无反对票通过。这意味着，在实施观察到的意见之后，ISO 11898-1标准将被发布。目前已有100多条评论被观察和执行，主要是编辑性质的评论。现在，ISO 11898-1文件作为国际标准发布只是时间问题。

该标准还根据开放系统互连(OSI)参考模型规定了物理层的一部分，即物理编码子层。描述收发器特性的CAN FD物理介质附件(PMA)子层在ISO 11898-2中进行了国际标准化。此文件已提交DIS投票。它还包括可选的低功耗模式(以前在ISO 11898-5)和可选的选择性唤醒功能(以前在ISO 11898-6)。已删除系统相关规格。新的ISO 11898-2标准只指定了收发器的特性。物理介质相关子层不在ISO 11898系列的范围内。它是高度特定于应用程序的，可能由其他ISO标准或其他协会(如CiA、IEC或SAE)指定。

ISO还标准化了ISO 11898-1和ISO 11898-2实施的一致性测试计划。相关标准ISO 16845-1和ISO 16845-2正在制定中。ISO 16845-1已提交DIS投票，ISO 16845-2正在委员会草案(CD)投票中。测试公司c&s集团和IHR已经在开发一致性测试原型。大多数汽车芯片制造商都在将CAN FD内核集成到他们的微控制器中。他们中的许多人已经从博世获得了IP模块的许可。也有一些供应商提供自行实现的CAN FD ASIC/FPGA。几家公司已经提供了符合2 Mbit/s和5 Mbit/s标准的CAN高速收发器的工程样品。

下一步:使用较长的数据帧

解决了CAN FD数据链路层和物理层的标准化问题。即使是第一个高层协议(传输层和应用层)也使用较长的CAN FD数据帧。这包括在ISO 17765-2中标准化的所谓的ISO传输层。去年10月，在CAN in Automation (CiA)组织的CAN FD插件测试中，Vector和Volkswagen首次实施了CAN FD插件测试。此外，非营利性ASAM协会指定的XCP校准协议1.2版本也使用了64字节的数据字段。汽车开放系统架构(Autosar) 4.2.1版本也支持CAN FD。

CiA CANopen特殊兴趣小组(SIG)应用层目前正在开发CiA 301 5.0版本，该版本将基于CAN FD数据链路层。大多数CANopen协议将在20多年内保持原样。但是，公共域操作系统(PDOS)将被延长到64字节。映射项的数量仍然是64个。这意味着不可能按位映射超过8个字节。优先使用字节映射。更大的变化与SDO协议有关。它将完全改变:通用SDO协议的结构将更好，并且更容易实现。它仍在开发中。

SAE在其J1939 CAN FD工作组中正在讨论如何利用更长的框架。同时，CiA IG(兴趣组)商用车准备了CiA 602-2应用层，提出了J1939-71参数组到CAN FD数据帧的映射。它提供了一个可选的safety/security字段。CAN标识符包含SAE J1939-21规定的源地址。它旨在重用J1939-71中指定的8字节参数组。在未来，可以指定或长或短的参数组，并按照cia602 -2的规定映射到帧中。

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挑战:设计一个物理CAN FD网络

与传输速度高于1mbit /s的物理网络设计相比，使用更长的CAN FD帧指定更高层的协议更简单。不要低估设计以更高比特率运行的多路网络的挑战。1mbit /s已经是一个挑战了。汽车行业还没有在汽车和卡车上使用具有最大比特率的经典CAN网络。一些卡车制造商使用667mbit /s，甚至800kbit /s。

如果两个节点通信，并且所有物理层元素(输入/输出(I/O)端口、连接器、电缆等)提供与两端终端匹配的阻抗，则总线上没有干扰。当然，网络将需要连接器和电缆。这个限制就是光速，或者更准确地说，是电缆中电脉冲的最大速度。理论上，在大约100米的距离上可以达到10mbit /s。

如果有更多的节点进行通信，事情就会变得更加复杂。理论上，在两端端接有非常短的未端接存根的母线拓扑是最优的。星形拓扑和混合拓扑更具挑战性，比特率越来越高。从最初的经验来看，只有几个分支的星型拓扑可能以2mbit /s的速度运行。在这种情况下，星形中心应该用两个30-Ω电阻端接。

拓扑只是设计物理CAN FD网络时的一个主题。这一切都始于CAN控制器振荡器的容差。ISO 11898-1标准提供了五个要求，在计算振荡器的允许公差时必须满足这些要求。简单地说:高达4 Mbit/s的传输速度，与经典CAN相同的容差保证了健壮的通信。对于更高的速度，需要更精确和更昂贵的振荡器。在任何情况下，在ISO 11898-1中规定振荡器的频率应为80mhz, 40mhz或20mhz。当振荡器通过可配置级联锁相环(PLL)电路实现时，用户应注意以满足公差要求的方式配置它们。

配置位定时

配置位定时是下一个主题。当然，仲裁位时间的配置与经典CAN完全相同。您必须设置比特率预分频器、传播段(总是一个时间量子)、传播和相位段1(通常只有一个设置)、传播段2和同步跳宽。为了使量化误差最小化，当切换到较高比特率时，每比特的时间量子数应该足够大。博世的M-CAN模块允许每比特385个时间量子。

专用比特率的详细参数设置不在ISO 11898-1的范围内。CANopen FD (CiA 301 5.0版)和CiA 602-1(商用车辆的CAN FD物理层)将为不同的比特率提供这样的规范。此外，SAE 2284-4将规定乘用车的CAN FD位时序以及CAN FD物理层设计的其他一些细节。该文件仍在制定中。

与仲裁比特定时无关的数据相位比特定时使用与上述相同的参数，加上发射机延迟补偿(TDC)和TDC偏移量。CiA 601-1 CAN FD物理层设计规范建议开启TDC功能。

CiA 601-1文件为CAN FD节点提供了一些物理层设计规则。只有中情局成员才能进入。然而，愿意审查和评论该规范的相关方可以要求中央情报局办公室提供一份个性化的副本。两种比特率的样本点的确认在所有节点中应该是完全相同的。这增加了通信的健壮性。还建议配置具有分辨率的位计时，这意味着最大可能的时间量子数，以减少量化误差。这导致相裕度增加。CiA还建议使用具有更高比特率的收发器芯片。它们具有较少的不对称性，这为所选拓扑和其他物理层效应引起的振铃保留了更多的相位裕度。

收发器具有从隐性到显性和从显性到隐性转换的不同环路延迟。这两个环路延迟的对称性取决于内部收发器延迟的对称性以及电阻和电容母线负载的对称性。收发环时延的不对称性使仲裁阶段和数据阶段的位元缩短或扩展。随着比特率的提高，对称性变得越来越重要。ISO 11898-2规定了2mbit /s (- 65ns /+ 40ns)和5mbit /s (- 45ns /+ 15ns)的最小/最大对称性值。

接收节点上RxD信号的对称性由发送和接收节点的对称性性能来定义。为了保证网络中两个或多个节点之间的健壮通信，发送节点的收发器Tx延迟对称性和接收节点的收发器Rx延迟对称性必须非常精确。环路延迟对称不能完全覆盖这一点。网络中的一个设备可能具有具有非常对称的发送器部分和不对称的接收器部分的收发器。来自另一个供应商的收发器的行为可能相反。因此，在CiA 601-1规范中，为发送端和接收端对称性定义了额外的参数(例如t_{矩形(RxD)分钟}= 110 ns和t_{矩形(RxD)马克斯}= 225ns (5mbit /s)。该文档还描述了如何计算接收节点看到的抖动位长度。这些值只考虑了收发器的影响。在/CiA601-3/中讨论了时钟容差和网络相移等其他影响，该影响仍在开发中。

相位裕度还取决于振荡器频率和一些非比特率的原因。这包括由收发器和其他物理层元件引起的位不对称以及由振铃引起的RxD信号不稳定。总线线路上的振铃来自使用的总线拓扑。

网络设计者还应该考虑温度相关的影响。例如，电缆的隔离材料可以根据温度改变阻抗。在CiA 602-1商用车CAN FD物理层规范中，不建议使用PVC电缆。不对称的印刷电路板(PCB)布局或连接器也会导致振铃。因此，商用车CAN FD物理接口的CiA 602-1规范提出，该区域内导线的未捻长度应尽可能短(最大50mm)。

关于电连接器参数有更多的建议。在更高的比特率下，即使是角连接器的固定也是一个问题。CAN_H和CAN_L引脚应该具有相同的长度。

为了抑制星型和混合拓扑中的振铃现象，可以使用特殊的电路。电装公司已将其振铃抑制技术提交给CiA进行标准化，并提交给ISO。它在CiA 601-4中有描述，正在开发中。其基本思想是动态地改变某些节点的阻抗。它被打开一小段比特时间，然后再次关闭。在cia601 -4中，开始时间的最大值为50ns，结束时间的最大值为200ns ~ 410ns。

通用汽车更喜欢另一种解决方案:所有节点都在本地终止的总线线路拓扑。2015年3月，美国中央情报局(CiA)在底特律组织的CAN FD测试中成功测试了通用汽车的线束。通用汽车喜欢使用24米、20个节点的总线网络，而不是终止的存根线。最大桩线为1.7米。

更多的经验是必要的

当推出新产品或提交其他网络方法进行测试时，CiA将组织下一次CAN FD插件测试。此外，CiA将在IG CAN FD和IG商用车内部收集经验并组织知识交流。欢迎更多与会者参加。即将到来的CAN FD技术日将向新来者介绍CAN FD技术的经典CAN背景。在10月27日和28日在维也纳举行的第15届国际CAN会议上，将发表几篇与CAN FD主题相关的论文。

- Holger Zeltwanger是CFE Media内容合作伙伴CAN in Automation的董事总经理。编辑:Joy Chang, CFE Media数字项目经理，jchang@cfemedia.com．

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