CN103503382A - 具有灵活数据速率的控制器局域网 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于通过借助于总线系统连接的传送节点与至少一个接收节点之间的数据帧的交换进行的串行通信的方法，其中，传送机和接收机的作用由在CAN标准ISO11898-1中所定义的仲裁程序分配给用于每个数据帧的节点，其中，交换数据帧具有根据CAN标准ISO11898-1的逻辑结构，其中，所述数据帧由位序列组成，其中，所述数据帧的逻辑结构包括帧起始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结尾字段，其中，所述数据字段可以具有零位的长度，其中，每个其他字段包含至少两个位，其中，每个位具有位时间，其中，每个位时间被划分成时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），其中，所述位速率由所述位时间的倒数值所定义，其中，对于所述交换数据帧的至少一个第一可预定部分，该部分中的位速率位于1Mbit/s的最大值以下，其中，对于所述交换数据帧的至少一个第二可预定部分，该部分中的位速率位于所述至少一个第一可预定部分中的位速率以上，其特征在于，对于所述交换数据帧的至少两个不同部分，所述时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2）的值的至少两个不同集合是可预定的。

Description

具有灵活数据速率的控制器局域网
串行通信到越来越多的应用的接受和引入已导致需要增加用于串行通信的带宽的要求。
两个因素限制了CAN网络中的有效数据速率，首先是CAN总线仲裁方法的功能所需的最小位时间，以及其次是CAN消息中的数据位与帧位的数目之间的关系。
本白皮书描述了新的协议，亦即基于如在ISO 11898-1中规定的CAN协议，并且该CAN协议被称为“具有灵活数据速率的CAN”或CAN FD。其仍使用CAN总线仲裁方法，其通过在仲裁过程结束之后切换至较短位时间来增加位速率，并且在接收机发送其确认位之前在CRC界定符处返回至较长位时间。通过允许较长数据字段来增加有效数据速率。CAN使用四个位作为数据长度代码，导致16个不同的代码，但是仅使用前九个值，代表[0-8]字节的数据字段长度的代码[0-8]。在CAN中，代码[9-15]被定义成表示八个数据字节。在CAN FD中，使用代码来表示较长数据字段。
注意：CAN系统能够逐渐地迁移至CAN FD系统。网络中的所有节点必须具有用于CAN FD通信的CAN FD协议控制器，但是所有CAN FD协议控制器也能够参加标准CAN通信。如果CAN FD通信局限于具有达到八个数据字节的长度的数据字段，则除控制器的初始配置之外，改变应用程序不是必要的。
介绍
控制器局域网（CAN）是以非常高的安全水平有效地支持分布式实时控制的串行通信协议。其应用领域从高速网络到低成本复用布线变动。在汽车电子装置中，使用具有达到1 Mbit/s的位速率的CAN来连接引擎控制单元、传感器、防滑系统等。同时，构建到例如灯集群、电动车窗等的车身电子装置中以替换另外要求的布线线束是成本有效的。
CAN FD（具有灵活数据速率的CAN）补充了要求较高数据速率的应用中的CAN。CAN FD协议控制器还能够参加标准CAN通信，使得成为可能的是，仅在特定操作模式下使用CAN FD，例如线尾处软件下载或维护。CAN FD要求两组位定时配置寄存器，即用于仲裁相位的一个位时间和用于数据字段的一个位时间。用于仲裁相位的位时间具有与在标准CAN网络中相同的限制，用于数据字段的位时间是相对于所选收发机的性能和CAN FD网络的特性而选择的。
标准CAN收发机能够用于CAN FD，专用收发机是可选的。CAN FD协议控制器可以提供附加接口信号以将专用CAN FD收发机（在具有较高位速率的相位中）切换到替换操作模式中。
专用CAN FD收发机可以在具有较高位速率的相位中使用替换编码系统，并不局限于CAN的NRZ编码。
基本概念
CAN FD帧由与CAN帧相同的元素组成，差别在于在CAN FD帧中，数据字段和CRC字段可以较长。如在CAN中，消息确认要求来自至少一个接收机的显性确认位。具有错误帧、错误计数器、错误被动水平和总线关闭水平的CAN FD故障禁闭（fault confinement）与在CAN中相同，其基于相同的五个错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、形式错误以及确认错误。
在图1中描绘了CAN FD帧的示例。
CAN FD帧具有与CAN帧相同的结构，CAN帧与CAN FD帧之间的差别是在直接在控制字段中的数据长度代码之前的预留位处。在CAN FD帧中，此位是隐性地传送的。
将直至辨别协议的预留位为止的CAN FD帧的第一部分用与CAN帧相同的位速率进行传送。该位速率在预留位之后被切换，直至到达CRC界定符或直至CAN FD控制器看到导致错误帧的开始的错误条件为止。将CAN FD错误帧以及ACK字段、帧结尾以及过载帧用与CAN错误帧相同的位速率进行传送。
帧格式：
图2示出了消息内切换位速率的位置。
CAN FD支持CAN协议的标识符长度，即11位长的“标准格式”和29位长的“扩展格式”两者。在两种情况下，位速率在预留位r0处（在DLC之前）被切换至较短位时间。
DATA FIELD（数据字段）中的字节的数目由DATA LENGTH CODE（数据长度代码）所指示。此DATA LENGTH CODE（数据长度代码）是4位宽的且在CONTROL FIELD（控制字段）内被传送。
DATA LENGTH CODE（数据长度代码）的编码在CAN FD中是不同的。前九个代码是相同的，但是在CAN中指定八个字节的DATA FIELD（数据字段）的以下代码在CAN FD中指定较长的DATA FIELDS（数据字段）。所有远程帧应使用零的DATA LENGTH CODE（数据长度代码），无论对应的数据帧的DATA LENGTH CODE（数据长度代码）如何。
注意：在本文档中，DATA FIELD（数据字段）的最大长度被指定为64字节。此值和DATA LENGTH CODE（数据长度代码）的> 8的其他值在CAN FD的最终规范中可以改变。
在图3中描述了由DATA LENGTH CODE（数据长度代码）进行的数据字节的数目的编码。
CRC FIELD（CRC字段）包含CRC SEQUENCE（CRC序列），后面是CRC DELIMITER（CRC界定符），如图4中所示。
CRC SEQUENCE（CRC序列）：帧校验序列是从循环冗余码（BCH代码）得出的。
为了执行CRC计算，要被除的多项式被定义为多项式，其系数由相关位流给定。CAN FD对不同的帧长度使用不同的CRC多项式。针对具有达到八个数据字节的帧，使用与在CAN中相同的多项式。
针对具有达到八个数据字节的帧，相关位流是由START OF FRAME（帧起始）、ARBITRATION FIELD（仲裁字段）、CONTROL FIELD（控制字段）、DATA FIELD（数据字段，如果存在的话）以及对于15个最低系数而言由0组成的去填充位流。此多项式被除以（系数是计算的模2）发生器多项式，其在汉明间距（Hamming Distance）HD＝6的情况下最适合于具有小于127位的位计数的帧。
X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1。
针对在DATA FIELD中具有超过八个字节的帧，使用不同（且较长）的CRC多项式，适合于该帧的长度。CRC字段被相应地延长。在较长帧中，还应由CRC来保护在CRC SEQUENCE（CRC序列）之前发生的填充位。
每个CRC SEQUENCE（CRC序列）是在单独的移位寄存器块中计算的。在帧起始时，在所有节点中，应同时地计算所有CRC SEQUENCE，直至CRC SEQUENCES（CRC序列）的仲裁那个被预留位且被DLC所选择之后为止。只有所选择的CRC SEQUENCE（CRC序列）能够引起CRC错误。
注意：实际CRC多项式将是在DATA LENGTH CODE（数据长度代码）的编码被最终确定之后被定义的。
CRC DELIMITER（CRC界定符）：CRC SEQUENCE（CRC序列）后面是由一个或两个“隐性”位组成的CRC DELIMITER（CRC界定符）。传送器应仅发送一个“隐性”位作为CRC界定符，但是所有节点应在开始确认时隙的从隐性至显性的边沿之前接受两个“隐性”位。
注意：当检测到CRC界定符时，CAN FD协议控制器切换回至具有较长位时间的位速率。
CAN网络中的节点之间的相移由收发机中的延迟时间和CAN总线线路上的传播时间所定义。相移在CAN中和在CAN FD中是相同的，但是其在具有更短位时间的相位中成比例地更大。网络中的所有接收机可以具有到传送机的不同相移，因为其在不同的时间经历传送边沿。为了补偿这些相移，当位速率被切换回至较长位时间时，在开始确认时隙的从隐性到显性的边沿之前和之后允许一个附加位时间容差。
ACK FIELD（ACK字段）为两位或三位长，并且包含ACK SLOT（ACK时隙）和ACK DELIMITER（ACK界定符），如图5中所示。在ACK FIELD（ACK字段）中，传送站发送两个‘隐性’位。已正确地接收到有效消息的RECEIVER（接收机）通过在ACK SLOT（ACK时隙）（其发送‘ACK’）期间发送“显性”位来将这一点报告给TRANSMITTER（传送机）。
ACK SLOT（ACK时隙）：已接收到匹配的CRC SEQUENCE（CRC序列）的所有站通过用“显性”位对TRANSMITTER（传送机）的“隐性”位加上标来在ACK SLOT内报告这一点。为了补偿接收机之间的相移，所有节点接受重叠ACK位的两位长的“显性”相位作为有效ACK。
ACK DELIMITER（ACK界定符）：ACK DELIMITER（ACK界定符）是ACK FIELD（ACK字段）的第二或第三位，并且必须是“隐性”位。因此，ACK SLOT被两个“隐性”位（CRC DELIMITER（CRC界定符）、ACK DELIMITER（ACK界定符））围绕。
END OF FRAME（帧结尾）：每个DATA FRAME（数据帧）和REMOTE FRAME（远程帧）由七个“隐性”位所组成的标志序列来界定。
CAN FD中的CAN协议特征：
CAN协议规范（版本2.0，Robert Bosch有限公司，1991年）的以下部分在CAN FD协议中未改变地适用：
· TRANSMITTER/RECEIVER（传送机/接收机）的定义
· 消息过滤
· 消息确认
· 编码
· 错误处理
· 错误检测
· 错误信令
· 故障禁闭
位定时要求：
CAN FD协议定义了两个位速率，具有较长位时间的第一位速率和具有较短位时间的第二位速率。用于第一位速率的定义与用于CAN协议规范中的NOMINAL BIT RATE（标称位速率）和NOMINAL BIT TIME（标称位时间）的定义相同。用于第二位速率的定义要求单独配置寄存器组。两个位时间都由单独的非重叠时间段组成，这些段
· SYNCHRONIZATION SEGMENT （同步段）(SYNC_SEG)
· PROPAGATION TIME SEGMENT（传播时间段）(PROP_SEG)
· PHASE BUFFER SEGMENT1（相位缓冲段1）(PHASE_SEG1)
· PHASE BUFFER SEGMENT2（相位缓冲段2）(PHASE_SEG2)
形成如图6中所示的位时间。
用于CAN FD协议的两个位速率的时间段是由两组配置寄存器所定义的。
SYNC SEG：位时间的此部分被用来使总线上的各种节点同步。边沿被预期落在此段内。
PROP SEG：位时间的此部分被用来补偿网络内的物理延迟时间。其为信号在总线线路上的传播时间、输入比较器延迟以及输出驱动器延迟的和的两倍。
PHASE SEG1、PHASE SEG2：这些相位缓冲段被用来补偿边沿相位误差。这些段能够通过再同步被延长或缩短。
SAMPLE POINT（采样点）：SAMPLE POINT（采样点）是总线电平被读取并解释为相应位的值的时间点。其位置在PHASE_SEG1的结尾处。
INFORMATION PROCESSING TIME（信息处理时间）：INFORMATION PROCESSING TIME（信息处理时间）是以被预留用于计算后续位电平的SAMPLE POINT（采样点）开始的时间段。
时间段的长度是以TIME QUANTUM（时间量）的整数倍来定义的，其中该TIME QUANTUM是从振荡器周期得出的固定时间单元。存在可编程预定标器（prescaler），具有至少在从1至32范围变动的整数值。以MINIMUM TIME QUANTUM（最小时间量）开始，TIME QUANTUM（时间量）可以具有以下长度
TIME QUANTUM(n) = m(n) * MINIMUM TIME QUANTUM
m是预定标器的值。在CAN FD协议中定义了用于预定标器的两个值，m(1)和m(2)，每个位速率一个，导致TIME QUANTUM（时间量）的两个不同长度。
用于第一位速率的时间段的长度：
· SYNC_SEG(1)为1个TIME QUANTUM(1)长。
· PROP_SEG(1)可编程为1、2、…8个TIME QUANTUM(1)长。
· PHASE_SEG1(1)可编程为1、2、…8个TIME QUANTUM(1)长。
· PHASE_SEG2(1)是PHASE_SEG1(1) 和INFORMATION PROCESSING TIME的最大值。
· INFORMATION PROCESSING TIME（信息处理时间）小于或等于2个TIME QUANTA(1)长。
用于第二位速率的时间段的长度
· SYNC_SEG(2) 为1个TIME QUANTUM(2) 长。
· PROP_SEG(2)可编程为1、2、…8个TIME QUANTUM(2)长。
· PHASE_SEG1(2)可编程为1、2、…8个TIME QUANTUM(2)长。
· PHASE_SEG2(2)是PHASE_SEG1(2) 和INFORMATION PROCESSING TIME的最大值。
· INFORMATION PROCESSING TIME（信息处理时间）小于或等于2个TIME QUANTA(2)长。
位时间中的TIME QUANTA（时间量）的总数必须是至少从8至25可编程的。
SAMPLE POINT（采样点）的位置在两个位定时配置中可以不同，在用于第二位速率的配置中可以减小PROP_SEG的长度。
 
CAN FD实现：
CAN FD协议实现应提供与CAN协议实现相同的控制器-主机接口以提供用于现有CAN应用的容易迁移路径。最小要求差别是用于CAN FD操作的新配置寄存器。
CAD FD协议允许具有超过八个数据字节的帧。并不要求所有CAN FD实现都支持较长帧，CAN FD实现可以局限于DATA FILED（数据字段）长度的子集。仅支持帧中达到例如八个数据字节的CAN FD实现不应将接收到的较长帧处理为错误，无故障较长帧应被确认，并且应参加接受过滤。超过CAN FD的数据处理容量的接收数据字节应被丢弃。被请求传送较长帧的此类受限CAN FD实现应利用恒定字节图案在帧中填充超过数据处理容量的数据字节。应选择此图案，使得其并不引起例如0x33的STUFF BITS（填充位）的插入。
以下可选接口寄存器提供正在进行中的通信的扩展分析。
· 双组状态寄存器，用以在第一位速率或在第二位速率下操作的同时发生的消息和错误之间进行区分。
· 专用错误计数器，用以比较两个操作模式下的错误率。
· 每消息状态标志，指示消息是使用第一位速率还是第二位速率所接收到的。
· 每消息配置标志，控制是将要使用第一位速率还是第二位速率来传送消息。
· 通信管理状态机，其根据类似于例如以下的标准来启用或禁用第二位速率的使用：两个位速率中的相对误差率、特定位速率中的消息接收、从外部总线主控所接收的控制消息、由本地主机所写入的命令。

Claims (15)

1. 一种用于通过借助于总线系统连接的传送节点与至少一个接收节点之间的数据帧的交换进行的串行通信的方法，
其中，传送机和接收机的作用由在CAN标准ISO 11898-1中所定义的仲裁程序分配给用于每个数据帧的节点，其中，交换数据帧具有根据CAN标准ISO 11898-1的逻辑结构，
其中，所述数据帧由位序列组成，
其中，所述数据帧的逻辑结构包括帧起始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结尾字段，
其中，所述数据字段可以具有零位的长度，
其中，每个其他字段包含至少两个位，
其中，每个位具有位时间，
其中，每个位时间被划分成时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），
其中，所述位速率由所述位时间的倒数值所定义，
其中，对于所述交换数据帧的至少一个第一可预定部分，该部分中的位速率位于1 Mbit/s的最大值以下，
其中，对于所述交换数据帧的至少一个第二可预定部分，该部分中的位速率位于所述至少一个第一可预定部分中的位速率以上，
其特征在于，对于所述交换数据帧的至少两个不同部分，所述时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2）的值的至少两个不同集合是可预定的。
2. 权利要求1的方法，
其特征在于，在所述时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2）的值的所述至少两个不同集合中的至少一个集合中
PROP_SEG的值可以偏离在CAN标准ISO 11898-1中所规定的值范围，并且特别地可以具有零的值。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，具有至少两个不同位时间的所述交换数据帧是通过包含在所述控制字段中的预留位（r0）与具有均匀位时间的数据帧可区分的。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的方法，
其特征在于，具有交换数据帧的较短位时间的所述至少一个第二可预定部分以所述预留位（r0）开始并以所述CRC字段的结尾处的隐性位（CRC 界定符）或以导致错误帧的开始的错误条件的检测结束。
5. 根据权利要求1至4中的一项所述的方法，
其特征在于，具有至少两个不同位时间的交换数据帧可以包含超过八个字节的大小的数据字段，
其中，由包含在所述控制字段中的数据长度代码来指定所述数据字段的大小，
其中，使用与在CAN标准ISO 11898-1中所定义的编码相比用于所述数据长度代码的不同编码。
6. 根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，用于所述数据长度代码的不同编码是这样的，使得0b0000和0b1000之间的值与如在CAN标准ISO 11898-1中的零至八个字节的数据字段相对应，并且在0b1001和0b1111之间的值与大于八个字节的数据字段相对应。
7. 根据权利要求5至6中的一项所述的方法，
其特征在于，使用与在CAN标准ISO 11898-1中所定义的多项式相比不同的CRC多项式来确定至少用于具有超过八个字节的数据字段的大小的交换数据帧的CRC字段的内容。
8. 根据权利要求5至7中的一项所述的方法，
其特征在于，至少用于具有超过八个字节的数据字段的大小的交换数据帧的CRC字段的大小不同于在CAN标准ISO 11898-1中所定义的大小。
9. 根据权利要求5至8中的一项所述的方法，
其特征在于，以所述帧起始位开始，同时地计算至少两个CRC序列，直至所述CRC序列中的仲裁那个被所述预留位（r0）且被所述数据长度代码选择为能够引起CRC错误的有效CRC序列之后为止。
10. 根据权利要求1至9中的一项所述的方法，
其特征在于，传送机在所述CRC序列之后发送一个隐性位（CRC 界定符），并且所有节点在开始ACK时隙的总线状态的改变之前接受两个隐性位而不检测错误。
11. 根据权利要求1至10中的一项所述的方法，
其特征在于，已经接收到匹配CRC序列的接收机在所述ACK时隙内发送显性位（ACK），并且所有节点接受重叠ACK位的两位长的显性总线状态而不检测错误。
12. 根据权利要求1至11中的一项所述的方法，
其特征在于，所述交换数据帧中的所述至少两个不同位时间是通过使用预定标器的两个不同值所产生的，
其中，所述预定标器被定义为时间量与最小时间量之间的比。
13. 根据权利要求1至12中的一项所述的方法，
其特征在于，在所述交换数据帧的所述至少一个第二可预定部分中，在位的位时间比在所述至少一个第一可预定部分中更短的情况下，使用与在所述至少一个第一可预定部分中相比不同的位编码方法。
14. 一种用于通过借助于总线系统连接的传送节点与至少一个接收节点之间的数据帧的交换进行的串行通信的设备，
其中，传送机和接收机的作用由在CAN标准ISO 11898-1中所定义的仲裁程序分配给用于每个数据帧的节点，其中，交换数据帧具有根据CAN标准ISO 11898-1的逻辑结构，
其中，所述数据帧由位序列组成，
其中，所述数据帧的逻辑结构包括帧起始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结尾字段，
其中，所述数据字段可以具有零位的长度，
其中，每个其他字段包含至少两个位，
其中，每个位具有位时间，
其中，每个位时间被划分成时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），
其中，所述位速率由所述位时间的倒数值所定义，
其中，对于所述交换数据帧的至少一个第一可预定部分，该部分中的位速率位于1 Mbit/s的最大值以下，
其中，对于所述交换数据帧的至少一个第二可预定部分，该部分中的位速率位于所述至少一个第一可预定部分中的位速率以上，
其特征在于，所述设备包含用于为所述交换数据帧的所述至少两个不同部分对所述时间段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2）的值的至少两个不同集合进行预定的装置。
15. 根据权利要求14的设备，
其特征在于，所述设备包含用以执行根据权利要求1至13所述的通信方法中的一个的装置。
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