利用普源示波器搞懂汽车CAN-FD总线技术

随着工业的发展，工业总线上的数据量逐日增长，尤其是在CAN总线运用较多的汽车领域，总线通讯的数据量愈发庞大。例如汽车内部出现更多的辅助系统和人机交互系统，使得传统的CAN总线在传输速率和带宽方面越来越力不从心，CAN总线已逐渐达到负荷极限。根据CAN规范 ISO11898-2所定义的标准帧结构，一帧报文最大只能传输 64 位(8 个字节)的数据，在最好的情况下总线负载也已达到 70%左右。 为了应对现今巨大数据量的挑战，亟需改进原有的总线来提高总线传输速率，CAN-FD (CAN with Flexible Data-Rate)便在这样的背景下诞生了。

一、汽车CAN网络拓扑图

下图举例了一个汽车CAN网络拓扑图。从中可以看到，CAN 网络由CAN节点及不同的CAN总线构成，CAN节点主要由CPU、CAN控制器以及CAN收发器组成，而不同的CAN总线上布置有不同功能的智能电子控制单元(ECU)

二、OSI协议栈模型参考

CAN协议涵盖了ISO规定的OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层。CAN协议的关于ISO/OSI基本参照模型中的数据链路层分为MAC子层和LLC子层，MAC子层是CAN协议的核心部分。数据链路层的功能是将物理层收到的信号组织成有意义的消息，并提供传送错误控制等传输控制的流程。具体地说，就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测或报告。数据链路层的功能通常在CAN控制器的硬件中执行，并在物理层定义了信号实际的发送方式、位时序、位的编码方式及同步的步骤。但信号电平、通信速度、采样点、驱动器和总线的电气特性、连接器的形态等均未定义，必须由用户根据系统需求自行确定。

三、CAN-FD 简介

1、CAN-FD 数据帧帧格式

CAN-FD采用了两种位速率，从控制场中的BRS位到ACK场之前 (含CRC分界符)为可变速率，其余部分为原CAN总线用的速率。CAN-FD数据帧格式如下图所示：

2、CRC场

CAN总线由于位填充规则对CRC的干扰，会造成错帧漏检率，从而无法达到设计意图。CAN-FD对CRC算法作了改变，即CRC以含填充位的位流进行计算。为避免在校 验和部分出现6个以上连续位，即在第一位以及以后每4位添加一个填充位加以分割。这个填充位的值是上一位的反码，作为格式检查，即如果填充位不是上一位的反码，就作出错处理。

CAN-FD的CRC 场扩展到了21位。由于数据场长度有很大变化区间，所以要根据 DLC大小应用不同的CRC生成多项式。如CRC_17，适合于帧长小于210位的帧，而CRC_21，适合于帧长小于1023位的帧。DLC编码CAN-FD数据帧采用了新的 DLC 编码方式，在数据场长度在0~8个字节时，采用线性规则。当数据场长度为 12~64 个字节时，使用非线性编码。如图5所示

3、CAN-FD 总线的特点：

以差分信号进行传输，拥有出色的抗噪性能。 l

所有节点没有主从之分，总线空闲时，任意节点都可向总线发送消息。 l

非破坏性位仲裁机制，用信息内的标识符ID决定信息发送优先顺序，保证已发 送数据的完整性与及时性。 l

继承自CAN总线的CAN-FD总线上的节点没有“地址”的概念，因此在总线上增加节点时，不会对总线上已有节点的软硬件及应用层造成影响。 l

可以配合网络的规模，系统的机能设定通信素速度，此外两条不同通信速度总线 上的节点可通过网关实现信息交互。

具有容错处理功能，所有的节点都可以检测出错误，检测出错误的节点会立即通 知总线上其它所有的节点;正在发送消息的节点，如果检测到错误，会立即停止 当前的发送，并同时不断地重复发送此消息，直到该消息发送成功为止。 l

能实现远程数据请求，通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。

4、CAN-FD 总线分析对示波器的需求

在CAN-FD总线解析过程中，需要观测系统噪声对总线信号传输的影响，并判断总线报错时是否由于硬件造成的以及软件编程的正确性。这对示波器的总线解析能力提出了更多的需求：

·拥有高速采样率，清晰捕捉和显示串行模拟信号并观测其物理特性。

·拥有较大存储深度，记录较长时间的总线控制过程。

·丰富的触发功能及高波形捕获率，捕获到错误并对应捕获波形发掘问题根因。

·灵活的屏幕多窗口分屏显示，同步显示解码结果与列表结果，方便观测总线数据信息。

·具有多路总线分析功能，满足同时分析多路CAN节点的需要。

串行总线通信在汽车等各领域得到了广泛应用。对于汽车制造，从制动系统到车辆导航系统，总线无处不在。要确保正常的车辆性能，保证电子控制单元(ECU)、传感器和执行器之间的通信尤为重要。除了验证总线协议的数字逻辑之外，还需要对波形质量、噪声以及传感器/执行器信号的同步测量进行模拟物理层验证。

RIGOL 自主研发的 DS70000 示波器独特的总线分析功能具有突出的优势：

·拥有高采样率，基于RIGOL的“凤凰座”示波器专用芯片组，实现了国内最高的 20GSa/s 采样率、5GHz 实时带宽，更真实捕捉并还原信号。

·拥有更大存储深度，基于RIGOL新一代UltraVision III 平台，实现最大2Gpts 的存储深度，在高采样率下采集更长时间的波形，满足长时间观测的要求。

·拥有丰富的触发功能，以及可达每秒1百万次的波形刷新率，更容易捕获偶发的信号瑕疵。

·具有强大的串行总线分析功能，支持多种主流串行总线，如 RS232/UART、I2C、 SPI、LIN、CAN、CAN-FD 、FlexRay、I2S、MIL-STD-1553 等。

·解码结果列表显示，解码总线上每个帧信息，包括地址、数据、标识符等，支 持屏幕窗口列表显示所有帧的分析结果，并可导出测试报告。

5、CAN-FD 总线解码分析测试步骤

在实际设计场景中，工程师可以通过协议分析轻松地发现错误、调试硬件、加快开发进度，为高速度、高质量完成工程提供保障。

而协议分析的基础是协议解码，只有解码正确的协议分析才能够被接受，只有正确的 解码才能提供更多的错误信息以供工程师进行功能调试与设计改进。

DS70000示波器支持CAN-FD的解码分析，并可实现4路总线分析，图6为 DS70000示波器CAN-FD解码设置界面示意图。

① 该选项可选择解码协议类型，支持 CAN-FD 解码分析，此外可选择 SPI、FlexRay、 I2S、1553B 等多种协议选项进行解码分析；

② 此处可以选择打开或关闭总线解码开关；

③ 此处为信源选项，可以设置信源的阈值和类型；

④ 此处信号速率选项，支持 CAN 和 CAN-FD 不同的信号速率，并可设置期望的采样位置。