最好的解析：如何快速實(shí)現(xiàn)CAN到CAN FD的升級(jí)

當(dāng)原有的CAN通訊無(wú)法滿足硬件節(jié)點(diǎn)和傳輸速率的增加時(shí)，很多工程師會(huì)使用CAN FD來(lái)替代，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量傳輸?shù)奶崴?。那么CAN可以通過(guò)哪些方式快速升級(jí)到CAN FD呢?哪種方式更適合你?一起來(lái)看看。

CAN FD升級(jí)的意義

當(dāng)今社會(huì)，汽車已經(jīng)成為了我們生活中不可缺少的一部分，人們希望汽車不僅僅是一種代步工具，更希望是生活及工作范圍的一種延伸。在汽車上就像坐在自己的辦公室和家里一樣，可以打電話、上網(wǎng)、娛樂(lè)、工作。因此，汽車制造商為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，將越來(lái)越多功能集成到了汽車上。ECU(電子控制單元)大量地增加使總線負(fù)載率急劇增大，傳統(tǒng)的CAN總線越來(lái)越顯得力不從心。因此，CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)協(xié)議誕生了。

它繼承了CAN總線的主要特性，提高了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，改善了錯(cuò)誤幀漏檢率，同時(shí)可以保持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大部分軟硬件特別是物理層不變。這種相似性使ECU供應(yīng)商不需要對(duì)ECU的軟件部分做大規(guī)模修改即可升級(jí)汽車通信網(wǎng)絡(luò)。

CAN FD與CAN的主要區(qū)別

圖1 CAN幀基本格式

圖2 CAN FD幀基本格式

自動(dòng)駕駛技術(shù)迅速發(fā)展，車輛中的CAN總線已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸速度的要求，CAN總線的加速升級(jí)版——CAN FD技術(shù)正在逐漸替代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，為了進(jìn)一步了解CAN FD，本文將從產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用介紹CAN FD的升級(jí)及優(yōu)勢(shì)。

隨著汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，CAN總線上的設(shè)備數(shù)量、數(shù)據(jù)量都大大增加，這就使得傳統(tǒng)的CAN總線在傳輸速率和帶寬方面越來(lái)越力不從心，因此CAN FD孕育而生。

那么如何實(shí)現(xiàn)CAN到CAN FD的升級(jí)呢?

一、CANFDCOM的應(yīng)用

CANFDCOM-100IE智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以快速將RS-232/485/422通訊設(shè)備連接到CAN(FD)-bus現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)物圖如圖1所示。轉(zhuǎn)換器支持1200-921600bps串口波特率，以及50k-5Mbps的CAN(FD)-bus 通訊速率。

圖1 CANFDCOM-100IE實(shí)物圖

CANFDCOM-100IE應(yīng)用廣泛，例如煤礦遠(yuǎn)程通訊、PLC設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、CAN(FD)工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、現(xiàn)有RS-232/485/422設(shè)備連接 CAN(FD)-bus 網(wǎng)絡(luò)等。

圖2 設(shè)備連接電路圖

如圖2所示，通常變頻器帶有RS-232/485接口，可通過(guò)CANFDCOM-100IE串口轉(zhuǎn)CAN(FD)快速將變頻器設(shè)備連接至CAN(FD)-bus網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)CAN(FD)報(bào)文的收發(fā)。

轉(zhuǎn)換器支持四種轉(zhuǎn)換模式：透明轉(zhuǎn)換、透明帶標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、Modbus 轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同用戶需求。同時(shí)提供配置軟件，可以靈活設(shè)置CANFDCOM-100IE的運(yùn)行參數(shù)。如圖3所示。

圖3 CANFDCOM配置界面

CANFDCOM還可以連接到PC端，另一端連接至CAN(FD)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行串行幀與CAN(FD)報(bào)文的相互收發(fā)。

參數(shù)配置完成之后，使用串口助手發(fā)送串行幀轉(zhuǎn)CAN(FD)報(bào)文，如圖4所示。借助ZCANPRO工具可以觀察CAN(FD)幀信息，如圖5所示。

CANFDCOM-100IE支持ISO標(biāo)準(zhǔn)CAN FD與BoschCANFD標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)接口具備獨(dú)立的2500VDC電氣隔離保護(hù)電路，使接口卡避免由于地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

圖4 串行幀收發(fā)界面

圖5 CAN FD幀信息界面

二、CANFDSM的應(yīng)用

CANFDSM-100是一款串口轉(zhuǎn) CAN(FD)模塊，內(nèi)置微處理器，實(shí)物圖如圖6所示?？梢院芊奖愕厍度氲骄哂蠻ART接口的設(shè)備中，如圖7所示。

在添加CAN(FD)收發(fā)器以后，實(shí)現(xiàn)UART設(shè)備和CAN-bus網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊。

圖6 CANFDSM-100實(shí)物圖

圖7 CANFDSM-100效果圖

使用MCU與CANFDSM-100連接，如圖8所示，其中LPC54616是NXP發(fā)行的LPC54000系列微控制器。CFG引腳閉合時(shí)，用于配置模塊，配置方式建議使用AT指令。CAN(FD)接口使用的是CTM3MFD隔離模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)用戶的MCU連接至CAN FD網(wǎng)絡(luò)中。

CANFDSM內(nèi)部集成了CAN控制器，CAN控制器是CAN-bus設(shè)備的核心元件，集成了CAN規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，能夠自動(dòng)完成CAN-bus協(xié)議的解析。

圖8 設(shè)備連接圖

然而，CAN FD與傳統(tǒng)的CAN在實(shí)際的應(yīng)用中并沒(méi)有太大的差異，線纜的選型、拓?fù)涞倪x擇、總線的布設(shè)等均大同小異。CAN收發(fā)器就是將CAN控制器的邏輯電平與CAN總線差分電平相互轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換器。

三、實(shí)現(xiàn)CAN收發(fā)器的方案有兩種

1、采用CAN收發(fā)IC;

2、使用CAN隔離收發(fā)模塊。

在一些干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合，隔離依然必不可少。隔離可以避免潛在的高壓危險(xiǎn)、消除地電勢(shì)差及地環(huán)路，從而大大提高通信的可靠性。

ZLG致遠(yuǎn)電子推出的CAN FD隔離CAN收發(fā)器CTM5MFD、CTM3MFD，體積小巧，可支持最高5Mbit/s的傳輸速率，是CAN FD隔離應(yīng)用的理想解決方案。CAN FD隔離收發(fā)器選型如表1所示。

表1 CAN FD隔離收發(fā)器選型表

CAN FD的優(yōu)勢(shì)

CAN FD繼承了CAN總線的主要特性，提高了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，改善了錯(cuò)誤幀漏檢率，同時(shí)可以保持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大部分軟硬件特別是物理層不變。CAN FD協(xié)議是CAN-BUS協(xié)議的最新升級(jí)，可以滿足更高的帶寬及數(shù)據(jù)吞吐量。

CAN FD速率包含兩個(gè)段的速率，其中仲裁段和ACK段沿用CAN2.0的規(guī)范，最高速率為1Mbit/s，中間的數(shù)據(jù)段是可以加速的，可以達(dá)到5Mbit/s，甚至更高;

CAN FD對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度作了很大的補(bǔ)充，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼(DLC)最大可以傳輸64字節(jié)有效數(shù)據(jù)。這意味著CAN FD具有更高的有效傳輸負(fù)載;

CAN FD 數(shù)據(jù)幀在控制場(chǎng)新添加FDF位、BRS位、ESI位(FDF位判斷報(bào)文類型、BRS位表示位速率轉(zhuǎn)換、ESI位表示錯(cuò)誤狀態(tài))，如圖9所示;

CAN FD對(duì)CRC算法作了改變，即CRC以含填充位的位流進(jìn)行計(jì)算，改善了錯(cuò)誤幀漏檢率。

圖9 CAN FD標(biāo)準(zhǔn)幀

總結(jié)

1、要實(shí)現(xiàn)CAN FD的快速升級(jí)首先需要使用支持CAN FD協(xié)議的MCU或控制器，還要選取新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和監(jiān)測(cè)工具;

2、需要支持更高的傳輸速率的收發(fā)器，若設(shè)計(jì)的CAN FD節(jié)點(diǎn)的最高速率5Mbit/s，則收發(fā)器的傳輸速率也必須達(dá)到此數(shù)值。CAN FD隔離CAN收發(fā)器CTM5MFD、CTM3MFD，是CAN FD隔離應(yīng)用的理想解決方案。