現(xiàn)如今汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使得汽車集成了更多的系統(tǒng)單元模塊，其中所包含的數(shù)據(jù)傳輸壓力卻成一直令人頭疼，難以解決。經(jīng)過(guò)不斷的努力，CAN-FD總線應(yīng)運(yùn)而生。

今天的話題就是為大家介紹汽車CAN-FD總線的各個(gè)細(xì)節(jié)以及喲如何使用的方法，并為講解RIGOL的數(shù)字示波器怎樣能夠在CAN-FD總線分析上提供強(qiáng)力的支持！一起來(lái)了解下吧。

1986年德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車CAN（Controller Area Network）通信協(xié)議。在這之后，CAN經(jīng)過(guò)ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。如今，CAN的高性能與可靠性早已經(jīng)得到認(rèn)同且廣泛投入工業(yè)生產(chǎn)。

面對(duì)工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)總線上的數(shù)據(jù)量正在日益增長(zhǎng)，特別是在CAN總線運(yùn)用較多的汽車領(lǐng)域，總線通訊的數(shù)據(jù)量愈發(fā)龐大。比如汽車內(nèi)部將出現(xiàn)更多的輔助系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的CAN總線在傳輸速率、帶寬方面漸漸“崩潰"，CAN總線已慢慢達(dá)到負(fù)荷極限的范圍內(nèi)。根據(jù)CAN規(guī)范ISO11898-2所定義的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)，一幀報(bào)文最大只能傳輸64位（8個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)，因此在較理想的情況下總線負(fù)載也已達(dá)到70%左右。

那么面對(duì)現(xiàn)今更巨大的數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)，應(yīng)要改進(jìn)原有的總線來(lái)提高總線傳輸速率，CAN-FD（CAN with Flexible Data-Rate）由此出現(xiàn)在大眾的視野中。

（CAN總線的發(fā)展歷史）

如下圖例舉了一個(gè)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在此可以看出的是，CAN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)及不同的CAN總線構(gòu)成，CAN節(jié)點(diǎn)主要由CPU、CAN控制器以及CAN收發(fā)器組成，但是不同的CAN總線上布置有不同功能的智能電子控制單元（ECU）。

（CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）

CAN協(xié)議包含有ISO規(guī)定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。CAN協(xié)議的關(guān)于ISO/OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協(xié)議的主要構(gòu)成部分。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是將物理層收到的信號(hào)組織成有意義的消息，且提供傳送錯(cuò)誤控制等傳輸控制的流程。更加深入來(lái)說(shuō)，則是消息的幀化、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤的檢測(cè)或報(bào)告。數(shù)據(jù)鏈路層的功能一般在CAN控制器的硬件中執(zhí)行，且在物理層定義了信號(hào)真實(shí)的發(fā)送方式、位時(shí)序、位的編碼方式以及同步的步驟?？墒切盘?hào)電平、通信速度、采樣點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)器和總線的電氣特性、連接器的形態(tài)等都沒有進(jìn)行定義，一定要由用戶依據(jù)系統(tǒng)需求自行確定。

（OSI模型對(duì)比參考）

CAN-FD通過(guò)使用兩種位速率，從控制場(chǎng)中的BRS位到ACK場(chǎng)之前（包括CRC分界符）為可變速率，剩余部分皆為原CAN總線用的速率。CAN-FD數(shù)據(jù)幀格式如下圖所示：

（CAN-FD幀格式）

CAN總線由于位填充規(guī)則對(duì)CRC的干擾，將會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)幀漏檢率，因此無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。CAN-FD對(duì)CRC算法進(jìn)行了調(diào)整，即CRC以含填充位的位流進(jìn)行計(jì)算。為避免在校驗(yàn)和部分出現(xiàn)6個(gè)以上連續(xù)位，即在前一位以及之后每4位添加一個(gè)填充位加以分割。這個(gè)填充位的值是上一位的反碼，作為格式檢查，假如填充位不是上一位的反碼，將立即做出處理。

CAN-FD的CRC場(chǎng)擴(kuò)展到了21位。由于數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度存在很大變化區(qū)間，因此需要根據(jù)DLC大小應(yīng)用不同的CRC生成多項(xiàng)式。如CRC_17，適合于幀長(zhǎng)小于210位的幀，而CRC_21，適合于幀長(zhǎng)小于1023位的幀。

CAN-FD數(shù)據(jù)幀通過(guò)使用新的DLC編碼方式，在數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度在0~8個(gè)字節(jié)時(shí)，利用線性規(guī)則。當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為12~64個(gè)字節(jié)時(shí)，使用非線性編碼。如下圖所示。

（DLC線性和非線性編碼）

1.以差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，擁有出色的抗噪性能。

2.所有節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，總線空閑時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)都可向總線發(fā)送消息。

3.非破壞性位仲裁機(jī)制，用信息內(nèi)的標(biāo)識(shí)符ID決定信息發(fā)送優(yōu)先順序，保證已發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性與及時(shí)性。

4.繼承自CAN總線的CAN-FD總線上的節(jié)點(diǎn)沒有“地址"的概念，因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)總線上已有節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層造成影響。

5.可以配合網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、系統(tǒng)的機(jī)能設(shè)定通信速度，此外兩條不同通信速度總線上的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息交互。

6.具有容錯(cuò)處理能力，所有的節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)出錯(cuò)誤，檢測(cè)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通知總線上其它所有的節(jié)點(diǎn)；正在發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤，會(huì)立即停止當(dāng)前的發(fā)送，并同時(shí)不斷地重復(fù)發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止。

7.能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過(guò)發(fā)送“遙控幀"請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

在CAN-FD總線解析過(guò)程中，需要觀測(cè)系統(tǒng)噪聲對(duì)總線信號(hào)傳輸造成的影響，且判斷總線報(bào)錯(cuò)時(shí)是否因?yàn)橛布斐傻幕蚴擒浖幊痰恼_性。這對(duì)示波器的總線解析能力提出了更多的需求：

1.具備高速采樣率，清晰捕捉和顯示串行模擬信號(hào)并觀測(cè)其物理特性。

2.具備較大存儲(chǔ)深度，記錄較長(zhǎng)時(shí)間的總線控制過(guò)程。

3.豐富的觸發(fā)功能以及高波形捕獲率，捕獲到錯(cuò)誤且相對(duì)捕獲波形發(fā)掘問題根因。

4.靈活的屏幕多窗口分屏顯示，同步顯示解碼結(jié)果與列表結(jié)果，方便觀測(cè)總線數(shù)據(jù)信息。

5.具有多路總線分析功能，可以滿足同步分析多路CAN節(jié)點(diǎn)的需要。

串行總線通信在汽車等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)汽車制造來(lái)說(shuō)，從制動(dòng)系統(tǒng)到車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，總線都非常重要。要保障正常的車輛性能，保證電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器之間的通信更為重要。除了驗(yàn)證總線協(xié)議的數(shù)字邏輯之外，還應(yīng)要對(duì)波形質(zhì)量、噪聲以及傳感器/執(zhí)行器信號(hào)的同步測(cè)量進(jìn)行模擬物理層驗(yàn)證。

RIGOL自主研發(fā)的DS70000示波器*的總線分析功能具備突出的優(yōu)勢(shì)：

1.具備高采樣率，基于RIGOL的“鳳凰座"示波器專用芯片組，完成了國(guó)內(nèi)最高的20GSa/s采樣率、5GHz實(shí)時(shí)帶寬，更真實(shí)捕捉并還原信號(hào)。

2.具備更大存儲(chǔ)深度，基于RIGOL新一代UltraVision III平臺(tái)，完成最大2Gpts的存儲(chǔ)深度，在高采樣率下采集更長(zhǎng)時(shí)間的波形，滿足長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的要求。

3.具備豐富的觸發(fā)功能，能夠達(dá)到每秒1百萬(wàn)次的波形刷新率，更容易捕獲偶發(fā)的信號(hào)瑕疵。

4.具有強(qiáng)大的串行總線分析功能，支持多種主流串行總線，例如RS232/UART、I2C、SPI、LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay、I2S、MIL-STD-1553等。

5.解碼結(jié)果列表顯示，解碼總線上每個(gè)幀信息，其中包括地址、數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符等，支持屏幕窗口列表顯示所有幀的分析結(jié)果，并可導(dǎo)出測(cè)試報(bào)告。

在現(xiàn)實(shí)的情況中，工程師可以采用協(xié)議分析輕松地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、調(diào)試硬件、加快開發(fā)進(jìn)度，為高速度、高質(zhì)量完成工程提供保障。

但是協(xié)議分析的基礎(chǔ)是協(xié)議解碼，只有解碼正確的協(xié)議分析才可以被接受，只有正確的解碼才可以反饋更多的錯(cuò)誤信息以供工程師進(jìn)行功能調(diào)試與設(shè)計(jì)改進(jìn)。

DS70000示波器支持CAN-FD的解碼分析，且能夠完成4路總線分析，如下所示為DS70000示波器CAN-FD解碼設(shè)置界面示意圖。

（示波器分析配置）

1. 此選項(xiàng)可選擇解碼協(xié)議類型，支持CAN-FD解碼分析，此外可選擇SPI、FlexRay、I2S、1553B等多種協(xié)議選項(xiàng)進(jìn)行解碼分析；

2. 在此可以選擇打開或關(guān)閉總線解碼開關(guān)；

3. 在此為信源選項(xiàng)，能夠設(shè)置信源的閾值和類型；

4.此處信號(hào)速率選項(xiàng)，支持CAN和CAN-FD不同的信號(hào)速率，并可設(shè)置期望的采樣位置。

DS70000系列示波器擁有簡(jiǎn)便的解碼設(shè)置操作界面，幫助工程師更為高效的測(cè)量。