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。經過不斷的努力，CAN-FD總線應運而生。

今天的話題就是為大家介紹汽車CAN-FD總線的各個細節(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總線分析上提供強力的支持！一起來了解下吧。

1986年德國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經過ISO11898及ISO11519進行了標準化。如今，CAN的高性能與可靠性早已經得到認同且廣泛投入工業(yè)生產。

面對工業(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，特別是在CAN總線運用較多的汽車領域，總線通訊的數(shù)據(jù)量愈發(fā)龐大。比如汽車內部將出現(xiàn)更多的輔助系統(tǒng)以及人機交互系統(tǒng)，導致傳統(tǒng)的CAN總線在傳輸速率、帶寬方面漸漸“崩潰"，CAN總線已慢慢達到負荷極限的范圍內。根據(jù)CAN規(guī)范ISO11898-2所定義的標準幀結構，一幀報文最大只能傳輸64位（8個字節(jié)）的數(shù)據(jù)，因此在較理想的情況下總線負載也已達到70%左右。

那么面對現(xiàn)今更巨大的數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)，應要改進原有的總線來提高總線傳輸速率，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）

如下圖例舉了一個汽車CAN網絡拓撲圖。在此可以看出的是，CAN網絡根據(jù)CAN節(jié)點及不同的CAN總線構成，CAN節(jié)點主要由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網絡的拓撲結構）

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)議的主要構成部分。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是將物理層收到的信號組織成有意義的消息，且提供傳送錯誤控制等傳輸控制的流程。更加深入來說，則是消息的幀化、仲裁、應答、錯誤的檢測或報告。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真實的發(fā)送方式、位時序、位的編碼方式以及同步的步驟。可是信號電平、通信速度、采樣點、驅動器和總線的電氣特性、連接器的形態(tài)等都沒有進行定義，一定要由用戶依據(jù)系統(tǒng)需求自行確定。

（OSI模型對比參考）

CAN-FD通過使用兩種位速率，從控制場中的BRS位到ACK場之前（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CRC的干擾，將會產生錯幀漏檢率，因此無法達到設計意圖。CAN-FD對CRC算法進行了調整，即CRC以含填充位的位流進行計算。為避免在校驗和部分出現(xiàn)6個以上連續(xù)位，即在前一位以及之后每4位添加一個填充位加以分割。這個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場擴展到了21位。由于數(shù)據(jù)場長度存在很大變化區(qū)間，因此需要根據(jù)DLC大小應用不同的CRC生成多項式。如CRC_17，適合于幀長小于210位的幀，而CRC_21，適合于幀長小于1023位的幀。

CAN-FD數(shù)據(jù)幀通過使用新的DLC編碼方式，在數(shù)據(jù)場長度在0~8個字節(jié)時，利用線性規(guī)則。當數(shù)據(jù)場長度為12~64個字節(jié)時，使用非線性編碼。如下圖所示。

（DLC線性和非線性編碼）

1.以差分信號進行傳輸，擁有出色的抗噪性能。

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

3.非破壞性位仲裁機制，用信息內的標識符ID決定信息發(fā)送優(yōu)先順序，保證已發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性與及時性。

4.繼承自CAN總線的CAN-FD總線上的節(jié)點沒有“地址"的概念，因此在總線上增加節(jié)點時，不會對總線上已有節(jié)點的軟硬件及應用層造成影響。

5.可以配合網絡的規(guī)模、系統(tǒng)的機能設定通信速度，此外兩條不同通信速度總線上的節(jié)點可通過網關實現(xiàn)信息交互。

6.具有容錯處理能力，所有的節(jié)點都可以檢測出錯誤，檢測出錯誤的節(jié)點會立即通知總線上其它所有的節(jié)點；正在發(fā)送消息的節(jié)點，如果檢測到錯誤，會立即停止當前的發(fā)送，并同時不斷地重復發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止。

7.能實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)請求，通過發(fā)送“遙控幀"請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

在CAN-FD總線解析過程中，需要觀測系統(tǒng)噪聲對總線信號傳輸造成的影響，且判斷總線報錯時是否因為硬件造成的或是軟件編程的正確性。這對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并觀測其物理特性。

2.具備較大存儲深度，記錄較長時間的總線控制過程。

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

4.靈活的屏幕多窗口分屏顯示，同步顯示解碼結果與列表結果，方便觀測總線數(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)點的需要。

串行總線通信在汽車等各領域得到了廣泛應用。對汽車制造來說，從制動系統(tǒng)到車輛導航系統(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。除了驗證總線協(xié)議的數(shù)字邏輯之外，還應要對波形質量、噪聲以及傳感器/執(zhí)行器信號的同步測量進行模擬物理層驗證。

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：

1.具備高采樣率，基于RIGOL的“鳳凰座"示波器專用芯片組，完成了國內最高的20GSa/s采樣率、5GHz實時帶寬，更真實捕捉并還原信號。

2.具備更大存儲深度，基于RIGOL新一代UltraVision III平臺，完成最大2Gpts的存儲深度，在高采樣率下采集更長時間的波形，滿足長時間觀測的要求。

3.具備豐富的觸發(fā)功能，能夠達到每秒1百萬次的波形刷新率，更容易捕獲偶發(fā)的信號瑕疵。

4.具有強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.解碼結果列表顯示，解碼總線上每個幀信息，其中包括地址、數(shù)據(jù)、標識符等，支持屏幕窗口列表顯示所有幀的分析結果，并可導出測試報告。

在現(xiàn)實的情況中，工程師可以采用協(xié)議分析輕松地發(fā)現(xiàn)錯誤、調試硬件、加快開發(fā)進度，為高速度、高質量完成工程提供保障。

但是協(xié)議分析的基礎是協(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誤信息以供工程師進行功能調試與設計改進。

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解碼設置界面示意圖。

（示波器分析配置）

1. 此選項可選擇解碼協(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)議選項進行解碼分析；

2. 在此可以選擇打開或關閉總線解碼開關；

3. 在此為信源選項，能夠設置信源的閾值和類型；

4.此處信號速率選項，支持CAN和CAN-FD不同的信號速率，并可設置期望的采樣位置。

DS70000系列示波器擁有簡便的解碼設置操作界面，幫助工程師更為高效的測量。