汽车CANFD总线通信应用研究.docx

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1、汽车CAN-FD总线通信应用研究传统的车载CAN总线最高支持500 kbit/s的传输速率 每帧只能承载8 bytes 的数据，由于传输速率和数据长度的限制，在自动驾驶和智能网联对网络通信 的高要求背景下,使用传统CAN通信势必会导致总线负载率过高从而导致网 络拥堵，传统CAN总线通信的瓶颈逐渐凸显。2011年，为满足带宽和可靠性的需求，Bosch首次发布了 CAN-FD（CAN With Flexible Data-Rate）方案zCAN-FD继承了传统CAN总线的主要特性， 使用改动较小的物理层，双线串行通信协议，依然基于非破坏性仲裁技术，分 布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制，在此基

2、础上对带宽和数据长度进 行优化，将逐步取代传统CAN成为下一代主流汽车总线系统，与车载以太网 搭配构建未来汽车的网络骨架。1. CAN-FD 概述1.1 基于OSl参考模型的CAN-FD协议分层CAN-FD的协议架构（网络分层）与传统CAN保持一致，故后文中对协议 架构部分的说明将不对CAN与CAN-FD进行区分。CAN协议也是基于ISO/IEC 7498-1中规定的开放系统互联（OSl）基本参考 模型，该模型将通信系统结构划分为7层。自上而下分别为应用层（层7）、 表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层（层1 ）。考虑到CAN作为工业测控底层网络，其信息传输量相对较少，信息传输的

3、实 时性要求较高，网络连接方式相对较简单，因此，CAN总线网络底层只采用 了 OSI 7层通信模型的最低2层,即物理层和数据链路层,而在高层只有应用层。CAN的数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制(MAC)子层。物理层定义信号怎样传输，完成电气连接，实现驱动器/接 收器特性；MAC子层是实现CAN协议的核心，它的功能主要是传送规则， 即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定；LLC子层的功能 主要是报文滤波、超载通知和恢复管理。物理层和数据链路层的功能可由CAN接口器件来完成。应用层的功能是由微 处理器完成的。在ISOII898中对CAN协议层级与OSI模型层级

4、的关系进 行了说明，图1描述了 CAN协议中数据链路层和物理层与OSl模型的关 系。OSlCANreferencelayersLogic link controlMedia access controlPhysical coding sub-layerPhysical media attachementPhysical media dependentAUIMDI,Spe ofISO 11898-1Spe ofISO 11898-2 resp.ISO 11898-3NOTE ISO 11898-2 refers to the future edition that will cancel and

5、 replace the current ISO 11898-2:2003, ISO 11898-5:2007 and ISO 11898-6:2013.图1 CAN分层结构与OSl模型对比1.2 CANFD优势分析CAN-FD相比传统CAN总线,其优势主要有以下3点。(1 )传输速率更快FD全称是Flexible Data-Rate,顾名思义，表示CAN-FD的帧报文具有数据场波特率可变的特性，即仲裁场合数据控制场使用标准的通信波特率，而到数据场就会切换为更高的通信波特率，车端常用的为2Mbits和5Mbits,从而图4 CAN-FD标准帧结构(数据长度为2064 bytes )(2)有效数

6、据场更长传统CAN报文标准帧的有效数据场只有8bytes ,每帧携带的数据量很少，CAN-FD对有效数据场的长度进行了很大的扩充，标准帧的有效数据场最大可达到64bytes ,大大提高了每帧报文中所能携带的数据量。(3)更小的改动CAN-FD保留了传统CAN总线协议的核心特征，这使得在ECU和收发器等硬 件层面上相较于车载以太网更易实现和应用，且由于CAN-FD与传统CAN对 物理层的要求基本一致，CAN-FD的ECU和收发器对传统CAN兼容,OEM 不论是采用直接升级为CAN FD总线的方案还是在切换过渡的阶段先采用混网的方案，在技术实现和开发成本控制层面都可以达到预期。2. CAN-FD在

7、产品车型上的应用以某车型为例，该项目已对CAN-FD网络进行了量产化应用，该项目基于电 子电气功能架构搭建了集合多种车载网络协议的网络架构，集信息域、互联域、 自动驾驶域、底盘动力域的多域融合的一汽新一代整车网络架构，该架构具备 支持拓展L2 +级自动驾驶和整车级OTA技术的能力，具有高功能安全、高 信息安全的技术优势。2.1 功能定义本车型CAN-FD部分主要实现ADAS自动驾驶和动力车控等功能，ADAS功 能分为驾驶智能辅助功能和自动驾驶功能，包括拨杆换道、自动换道、自适应 巡航、高速代驾、拥堵跟车、自动泊车等基本或高阶的功能，涉及到ADAS域 控制器与感知传感器、底盘、动力等执行控制器的

8、控制交互。2.2 方案设计对于2.1章节所描述的功能需求，在以往项目设计时多采用CAN总线进行 传输相关报文，但随着ADAS功能水平升级，这些ADAS功能的实现对网络 通信有着更高性能、低时延、高带宽及ASIL B +的功能安全要求，传统CAN 通信已无法满足。一汽红旗在本车型上首次应用CAN-FD搭建ADAS等域 的网络架构，实现ADAS域控制器与感知控制器及执行控制器之间的高实时 性和稳定性的通信传输。 在本车型网络架构设计中，将ADAS功能相关的报文分为2类，控制类和感 知类。再根据每个单元功能的功能安全ASIL等级确定每条报文和信号的ASIL 等级，进而制定每条信号的E2E校验策略。由

9、于舒适娱乐采用传统CAN的网 络骨架，所以在中央网关中做了 CAN转CAN-FD ( CAN-FD转CAN )的 功能设计，并对网关做了功能安全冗余设计，网关功能安全设计内容在此不做 赘述。2.3 设计实现2.3.1 车型CANFD节点拓扑结构设计 在本车型项目中，CAN-FD节点主要有网关控制器、ADAS域控制器、ADAS感知控制器、动力域控制器、底盘域控制器(图5 )。图5车型CAN-FD节点拓扑其中网关主要实现PDUCAn-FD路由功能、CAN-CANFd路由功能；ADAS 域控制器实现ADAS规划决策功能；ADAS感知控制器实现环境感知和定位 功能；动力域控制器实现动力分配和控制功能；

10、底盘域控制器实现制动和转向 功能。2.3.2 路由策略设计 从CAN到CAN-FD的路由,考虑到传输效率,网关将接收到的多个CAN 报文打包到一个CAN-FD报文中进行发送，为保证报文矩阵的可扩展性和打 包解析的便利性，CAN-FD中每8个bytes与传统CAN报文相对应,每连续 的8 bytes中至少预留32 bits用于未来功能的扩展。CAN-FD报文数据部分 设计为如图6oByteO.byte7Byte8.bytel5Byte48.byte55Byte56.byte63CAN MesagelCAN Mesage2CAN Mesage3CAN Mesage4图6 CAN-FD路由CAN-F

11、D报文数据场结构网关的报文路由形式分为CAN-CAN路由，Cancanfd路由和 CANFd-CAN路由3种，CAN-CAN路由遵循传统CAN路由原则，在此 不做赘述，后文主要对后2种路由形式进行详细说明。CAN-CANFD 路由：网关可以将多条报文进行组包后转发，也可以不组包单报文转发；单报文转发 仅改变源网段报文的ID和报文类型（帧结构和传输速率），但不改变数据场 里信号的位置和数据场长度（DLC）,这种转发形式称为报文路由。直接路由 可以通过底层软件自己完成，不需要上层软件的参与，路由时间延迟低，一般 可控制器在2 ms以内。图7报文路由过程示例CANFD-CAN 路由：CAN-FD到C

12、AN总线的消息转发需要将DLC长达64 bytes的CAN-FD的消 息帧拆分为多个DLC最长为8 bytes的CAN消息帧，需要数据场中的信号拆 分重组，改变报文的ID、报文类型、DLC长度以及信号位置，这种路由方式 称为信号路由。信号路由过程需要上层软件的参与，路由时延相比报文路由要 高一些，想实现功能安全，网关也需要做更多的安全冗余设计工作。2.4 CANFD通信性能睑证针对本项目设计，搭建了台架对CAN-FD相关节点进行了一致性测试和硬件 在环(Hardware In the Loop , HIL )验证，在网络的关键性能指标如总线负 载率、吞吐量、平均时延和峰值时延、网络利用率和网络

13、效率都得出了不错的 结果数据。SgZ oy I ogo图8信号路由过程示例3. 基于CAN-FD的新一代汽车网络架构车联网、V2X和自动驾驶对汽车网络高带宽、低延迟的高要求，使得以传统 CAN为骨架的汽车网络架构已逐步退出历史舞台。车载以太网技术的发展为 高带宽提供了可能性，但车载以太网由于其点对点通信和非实时的协议特性使 其无法满足车控功能对高实时性和一对多通信的需求，而CAN-FD基于传统 CAN的核心特征，继承了总线仲裁和广播通信特性，非常适用于车控信息的 交互。利用CAN-FD与车载以太网的协议特征，主机厂已构建出以CAN-FD 和车载以太网为网络骨架的新一代智能汽车的网络架构。车载以太网在一汽的量产车型上也已得到应用，用于实现了安全防护、车况查 询、远程控制、手机泊车、移动网络、WiFi功能、定位导航、信息推送方面 功能。在该车型上，以车载以太网和CAN-FD为主干网络,研发工程师搭建 了面向服务的集信息域、互联域、自动驾驶域、底盘域的多域融合的新一代整 车网络架构。