CAN FD 在 iMX8 计算机模块上的应用

发布人：toradex 时间：2020-12-25 来源：工程师发布文章

By Toradex胡珊逢

CAN总线在工业、汽车行业具有非常广泛的应用，为网络中设备之间点对点通信提供一种可靠、稳定、经济的方案。伴随网络中设备节点的增加，由于1Mbps速率和最长数据8字节的限制，通信效率和总线占用问题变得愈发突出。而CAN FD正是为了应对这种挑战而出现。文章接下来将介绍CAN FD的一些新特点以及使用注意事项，最后将使用Toradex Apalis iMX8QM和Verdin iMX8M Mini计算机模块简单演示CAN FD使用。

相比于传统CAN协议，CAN FD最大的两个特点是采用可变速率和单帧最长64字节数据，另外包括控制位和CRC校验的变化。

图1：传统CAN和CAN FD帧

控制位的首位由传统CAN的RTR变为CAN FD的RRS，该位始终是显性（0）。第三个控制位在传统CAN中属于保留功能，在CAN FD位FDF，位隐性（1）。FDF位1时表示该帧是CAN FD格式。在CAN FD中紧随FDF还是一个保留功能，用于将来的扩展。BRS（Bit Rate Switch）位允许CAN FD帧以不同的速率进行传输。如果BRS为显性（0）则该帧采用和仲裁阶段（Arbitration Phase）同样的速率进行传输，既速率不发生变化。当BRS为隐性（1），该帧接下来的部分将以较高的速率传输。这里需要注意，并不是整个CAN FD帧都用高速率传输，如下图，Data Phase从BRS后的ESI位开始到CRC Delimiter位结束，该阶段的数据会以较高的速率传输。

图2：CAN FD帧结构

ESI（Error Status Indicator）通常为显性（0）。当发送方遇到通讯异常后会将其置为隐性（1）。DLC表示该帧中实际数据长度，为了于传统CAN兼容，DLC仍然采用4bit。当数据长度小于8字节时，DLC位的数值可以直接表示数据长度，但超过8字节时，由于4个位最高只能表示15，为了支持CAN FD最长64字节数据，这里采用了折中的表示方法。当数据不超过8个字节时，DLC仍直接表示数据长度。当超过8个字节，只支持12到64中部分长度的数据包，而非全部的9到64任一长度。如下表所示，当DLC为9时，CAN FD数据长度为12字节，DLC为12时，数据长度是24字节。

DLC和数据长度对应关系
DLC	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
数据长度	0	1	2	3	4	5	6	7	8	12	16	20	24	32	48	64

在实际应用中最好选择上面的其中一种长度，避免通讯效率降低。如果小于某一种长度，则需要对数据进行填充，可以用0xCC和0x55作为填充字节，这样能够在总线上产生足够的波形翻转从而使CAN节点保持同步。

在CAN FD中根据数据长度会采用不同的CRC校验方案，当小于等于16字节是为CRC-17，当数据大于16字节后则采用CRC-21。CRC Delimiter之后的格式CAN FD和传统CAN仍保持一致。

CAN FD虽然具有更长的数据包以及更快的传输速度，但是由于引入了更多的位到帧中，帧的开销也会增加。以同样发送1字节数据包为例，传统CAN 2.0标准帧和CAN FD标准帧具体组成如上方图1所示。传统CAN 2.0标准帧总共位54 bit，CAN FD为70 bit。CAN FD需要多消耗16 bit来传送同样的数据。如果CAN FD不采用更高的可变速率这就意味着同样的帧，CAN FD反而会要更长的传输时间。当CAN FD采用可变速率，那么情况将会变得不一样。假设CAN FD的仲裁速率是500 Kbps，和传统CAN的速率一致，而可变的数据传输速率提高8倍到4 Mbps。传统CAN耗时为54 bit/ 500 Kbps = 108 us。CAN FD中4 Mbps的速率只用于传输从ESI位开始到CRC Delimiter位之间的数据，所以CAN FD耗时为29 bit/500 Kbps + 41 bit/4 Mbps = 68 us。这里我们看到，在提高数据传输速率情况下，CAN FD即使有更多的帧开销，帧传输时间还是减少了40 us。更高的传输速度有利于发送节点更快得完成帧发送，减少CAN总线占用时间，这对越长数据的帧会更加明显，对CAN网络的实时性来讲是一个优势。

然而提高传输速率不仅仅是在使用的时候设置一个参数，更重要的是保障CAN总线物理链路层的质量。可以使用示波器观察总线上信号的质量。如果信号陡峭且清晰，可以尝试将数据传输速率提高到仲裁速率的2到4倍。测量点需要遍布总线上多个位置，信号在不同位置会有所差异。线路阻抗的一致性对信号质量至关重要。通常在总线交叉点的线缆没有发生物理尺寸变化，并采用具有相同介电常数的隔离器，阻抗会保持不变。这可以参考以太网和USB中使用的专门的连接器。当CAN FD采用较高的传输速率时，每处线路分叉，每个连接器都可能会影响阻抗，从而引起信号反射。这些反射信号的能量最终可以影响CAN帧每个比特位边缘的抖动。

CAN FD最长64字节的数据包使用在实际应用中也需要注意。更长的帧不可避免在传输的时候会占用总线更多的时间，而这期间其他CAN节点则无法发送数据。对于实时性需求不高的场合，如通过CAN总线升级固件，长帧能够以更小的开销完成传输。而对实时性有要求的场合，对长帧的使用需要有一定的限制。对于8字节以下的帧，CAN FD更高的数据传输速率可以有效降低总线占用时间，前提是物理链路层能够满足高速传输的要求。

对于应用开发CAN FD的使用是非常简单的。CAN FD是可以兼容传统CAN，这意味着原先基于传统CAN通信的代码可以直接运行在支持CAN FD的设备上，但不使用任何CAN FD的新功能。如果需要使用CAN FD的可变数据速率或者超过8字节数据的帧，那么代码也只需做简单的修改。我们以Linux中SocketCAN为例，使用can-utils代码进行说明。在cansend.c和candump.c中采用canfd_frame结构体来存放需要发送和接收的CAN数据。CANFD_MAX_DLEN为64，对应CAN FD最长的64字节。

然后将can socket设置CAN FD格式，使用setsockopt()函数，设置CAN_RAW_FD_FRAMES参数即可。

在发送时将struct canfd_frame frame结构体中len长度参数设置CAN FD定义几种长度。

剩余代码中的操作可以沿用传统CAN模式下的方法。最后用下面命令配置CAN设备。这里仲裁速率为500Kbps，CAN FD可变数据速率为1Mbps，在结尾添加fd on参数启用CAN FD。

接下来我们将在Apalis iMX8QM和Verdin iMX8M Mini计算机模块上演示CAN FD通信。Apalis iMX8QM采用NXP i.MX8 QuadMax处理器，可以提供3路CAN接口。Verdin iMX8M Mini上的i.MX8 M Mini处理器本身并不支持CAN接口，我们在模块上添加了一块MCP2518实现CAN接口。

Apalis iMX8QM和Verdin iMX8M Mini分别通过Ixora和Dahlia载板进行CAN接口互联。这两个底板上均引出了CAN接口，方便用户测试。

Verdin iMX8M Mini作为发送端，依次运行下面命令，并发送4字节和10字节长度的帧。

Apalis iMX8QM作为接收端。

上面测试可以看到Verdin iMX8M Mini发送一帧10字节长度的数据，但是Apalis iMX8QM在收到了12字节的数据。这是CAN FD定义没有10字节的帧长，适合发送10字节的是12字节长度的帧。所以看到实际收到的是“11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 00 00”这12个字节，最后两个“00 00”是填充的数据。这部分填充数据来自lib.c代码memset(cf, 0, sizeof(*cf)); /* init CAN FD frame, e.g. LEN = 0 */