CN104620542B - 具有灵活数据速率的控制器局域网 - Google Patents
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Abstract
通过在借助于总线***被连接的传送节点和至少一个接收节点之间交换数据帧来进行串行通信的方法，其中，通过在CAN‑标准ISO 11898‑1中定义的仲裁过程来针对每个数据帧将传送机和接收机的角色指配给节点，其中，所交换的数据帧具有根据CAN‑标准ISO 11898‑1的逻辑结构，其中，数据帧由位的序列组成，其中，数据帧的逻辑结构包括帧开始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结束字段，其中，每个位具有位时间，其中，每个位时间被划分为时间片段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），其特征在于：响应于控制字段内的特定位的预定义的值，属于第一组节点的第一节点重新启动其协议解码状态机，并且等待直到其已经将本身同步到总线活动，并且，属于第二组节点的第二节点使用根据CAN FD规范的通信协议进行通信。
Description
对串行通信的接受以及将串行通信引入到越来越多的应用已经导致如下的需求：需要增加用于串行通信的带宽。
用于串行通信的广泛使用的协议是在BOSCHCAN规范2.0中指定的CAN协议，其能够从罗伯特博世有限公司网站http://www.semiconductors.bosch.de下载，并且在国际标准ISO 11898-1中。该CAN协议在下文中被称为“基准CAN”。
有两个因素限制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要的最小位时间，并且第二是CAN消息中的数据位和帧位的数量之间的关系。
最近，已经开发了新的协议，其被叫做“具有灵活数据速率的CAN”或者CAN FD。它仍然使用CAN总线仲裁方法，它通过在仲裁处理结束之后切换到较短的位时间来增加位速率并且在接收机发送它们的确认位之前在CRC分隔符返回到较长的位时间。通过允许较长的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从而导致16个不同代码，但是仅仅使用前九个值，代表[0-8]字节的数据字段长度的代码[0-8]。在CAN中，将代码[9-15]定义为表示八个数据字节。在CAN FD中，这些代码用于表示更长的数据字段。
在命名为“具有灵活的数据速率的CAN规范”的协议规范（下文中被称为CAN FD规范）中描述了CAN FD协议。在2012年4月17日发布了版本1.0，并且使公众可以在罗伯特博世有限公司网站： http：//www.semiconductors.bosch.de下载版本1.0。
只要使用未修改的基准CAN控制器，基准CAN节点和CAN FD节点的混合网络仅能够以基准CAN格式进行通信。 也就是说，网络中的所有节点都必须具有用于CAN FD通信的CANFD协议控制器，但是所有CAN FD协议控制器也能够参与基准CAN通信。如果CAN FD通信限制为具有高达八个数据字节的长度的数据字段，则除了控制器的初始配置不需要改变应用程序。
本发明描述对基准CAN实施方式的修改，其允许修改的CAN实施方式（其不能够发送和接收CAN FD帧）容许CAN FD帧。对CAN FD帧的容许意指这些修改的实施方式忽略CANFD帧并且不扰乱它们。这具有如下的优点：使用相同的总线线路的（根据本发明修改的）CAN节点和CAN FD节点的共存变为可能。CAN FD节点使用被修改的CAN节点容许但是不被其接收的CAN FD帧进行通信。修改的CAN节点使用能够被修改的CAN节点和CAN FD节点两者都接收的基准CAN帧进行通信。
介绍
控制器局域网（CAN）是以非常高级别的安全性高效地支持分布式实时控制的串行通信协议。其应用领域的范围是从高速网络到低成本多路接线。在汽车电子设备中，使用具有高达1兆位／秒的位速率的CAN来连接发动机控制单元、传感器、防滑***等。同时，将例如多灯照明器、电动窗等等的电子设备嵌入车身中来替换接线束是成本有效的。
CAN FD（具有灵活数据速率的CAN）在需要更高数据速率的应用中对CAN进行补充。CAN FD协议控制器也能够参与基准CAN通信，使得可以仅仅在例如在行结束（end-of-line）的软件下载或维护的特定操作模式中使用CAN FD。
CAN FD需要两个集合的位定时配置寄存器，用于仲裁阶段的一个位时间和用于数据字段的一个位时间。用于仲裁阶段的位时间具有与基准CAN网络中相同的限制，关于所选择的收发机的性能和CAN FD网络的特性来选择用于数据字段的位时间。
基准CAN收发机能够被用于CAN FD，专用收发机是可选的。CAN FD协议控制器可以提供附加的接口信号来在具有更高的位速率的阶段中将专用CAN FD收发机切换到替换操作模式中。
专用CAN FD收发机可以在具有更高的位速率的阶段中使用替换编码***，其不局限于CAN的N RZ编码。
基本概念CAN FD：
CAN FD帧由与CAN帧相同的要素组成，差别在于：在CAN FD帧中，数据字段和CRC字段可能更长。如在CAN中，消息验证需要来自至少一个接收机的显性（dominant）确认位。具有错误帧、错误计数器、错误消极级别和总线关断级别的CAN FD故障界定与在CAN中的相同，其基于相同的五种错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、形式错误，和确认错误。
帧格式：
图1中描绘了基准CAN和CAN FD帧的示例。
CAN FD支持CAN协议的两种标识符长度，11位长“标准格式”和29位长“扩展格式”。CAN FD帧具有与基准CAN帧相同的结构，基准CAN帧和CAN FD帧之间的区别是在通常命名为“r0”或“r1”并且位于控制字段中的数据长度代码之前的保留位。在CAN FD帧中，该位被隐性传送并且被称作EDL。与基准CAN帧相比，其后面有例如位BRS的附加控制字段位。
图2示出在消息内切换位速率的位置。
利用与CAN帧相同的位速率来传送CAN FD帧的第一部分，直到区分协议的保留位。如果已经接收到隐性（recessive）EDL位，则取决于BRS位的值切换位速率。从BRS位开始切换位速率，直到到达CRC分隔符或者直到CAN FD控制器看到导致错误帧开始的错误条件。以与CAN错误帧相同的位速率来传送CAN FD错误帧以及ACK字段、帧结束和过载帧。如果保留位BRS被隐性传送，则在该保留位BRS将位速率切换到较短的位时间。通过箭头将CAN FD消息划分在使用高位速率的一部分“CAN FD数据”（其由使用较低位速率的命名为“CAN FD仲裁”的两个部分所围绕）中来在图2中示出这一点。
数据字段中的字节的数量由来数据长度代码来指示。该数据长度代码是4位宽并且在控制字段内被传送。
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中指定八个字节的数据字段的后面的代码在CAN FD中指定更长的数据字段。不管对应的数据帧的数据长度代码如何，所有远程帧应当使用零数据长度代码。
在图3中描述通过数据长度代码编码数据字节的数量的示例。
CRC字段包含后面是CRC分隔符的CRC序列。
CRC序列：从循环冗余码（ BCH码）导出该帧校验序列。
为了执行CRC计算，把被除的多项式被定义为其系数由有关的位流给出的多项式。CAN FD针对不同的帧长使用不同的CRC多项式。对于具有高达八个数据字节的帧，使用与CAN中相同的多项式。对于具有高达八个数据字节的帧，有关的位流是由帧开始、仲裁字段、控制字段、数据字段（如果存在）组成的未填充的位流，并且，对于15个最低的系数，为0。将该多项式除以（以模2计算系数）生成多项式，该生成多项式在汉明间距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。
对于在数据字段中具有多于八个字节的帧，使用适于帧的长度的不同的（且更长的）CRC多项式。 CRC字段相应地加长。在较长的帧中，出现在CRC序列之前的填充位也应当由CRC来保护。
在分离的移位寄存器块中计算每个CRC序列。在帧开始，在所有节点中，应当并行地计算所有CRC序列，直到在仲裁之后CRC序列之一被保留位和被DLC选择。仅仅所选择的CRC序列能够引起CRC错误。
CRC分隔符：CRC序列后面是由一个或两个‘隐性’位组成的CRC分隔符。传送机应当只发送一个‘隐性’位作为CRC分隔符，但是所有节点都应当在开始确认时隙的从隐性到显性的边缘之前接受两个'隐性'位。 注意：当检测到CRC分隔符时，CAN FD协议控制器切换回到具有较长的位时间的位速率。
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来定义。相移在CAN中和CAN FD中是相同的，但是其在具有较短位时间的阶段中成比例地较大。网络中的所有接收机可能对传送机具有不同的相移，这是因为它们在不同的时间看到所传送的边缘。为了在位速率被切换回较长的位时间时补偿这些相移，在开始确认时隙的从隐性到显性的边缘前和后允许一个附加的位时间容差。
ACK字段是两个或三个位长并且包含ACK时隙和ACK分隔符，如图4中所示。在ACK字段中，传送站发送两个‘隐性’位。 已经正确地接收到有效消息的接收机通过在ACK时隙期间发送‘显性’位（其发送‘ACK’）来向传送机报告这一点。
ACK时隙：已经接收到匹配CRC序列的所有站通过在传送机的'隐性'位上加注‘显性’位来在ACK时隙内报告这一点。为了补偿接收机之间的相移，所有节点都接受重叠ACK位的两个位长的‘显性’阶段来作为有效ACK。
ACK分隔符：ACK分隔符是ACK字段的第二或第三位并且必须是'隐性'位。 因此，ACK时隙由两个‘隐性’位（CRC分隔符、ACK分隔符）来围绕。
帧结束：每个数据帧和远程帧通过由七个‘隐性’位组成的标记序列来定界。
位定时需求：
CAN FD协议定义两个位速率：具有较长的位时间的第一位速率和具有较短的位时间的第二位速率。针对第一位速率的定义与针对CAN协议规范中的标称位速率和标称位时间的定义相同。针对第二位速率的定义需要分离的配置寄存器集合。 两个位时间都由分离的非重叠时间片段组成，这些片段
SYNCHRONIZATION SEGMENT (SYNC_SEG)
PROPAGATION TIME SEGM ENT (PROP_SEG)
PHASE BUFFER SEGMENT 1 (PHASE_SEG1)
PHASE BUFFER SEGMENT 2 (PHASE_SEG2)
形成如图5中所示的位时间。
针对CAN FD协议的两个位速率的时间片段由两个集合的配置寄存器来定义。
SYNC SEG： 位时间的该部分用于同步总线上的各个节点。预期边缘位于该片段内。
PROP SEG：位时间的该部分用于补偿网络内的物理延迟时间。其是总线线路上的信号传播时间、输入比较器延迟和输出驱动器延迟的求和的两倍。
PHASE SEG1、PHASE SEG2：这些相位缓冲器片段用于补偿边缘相位误差。能够通过再同步来加长或者缩短这些片段。
采样点：采样点是读取总线级别并且将其解释为那个相应位的值的时间点。其位置在PHASE_SEG1的结束。
信息处理时间：信息处理时间是为计算后继位级所保留的从采样点开始的时间片段。以时间量子（TIME QUANTUM）的整数倍来定义时间片段的长度，其中时间量子是从振荡器周期导出的固定时间单位。存在有具有范围至少从1至32的整数值的可编程预定标器。从最小时间量子开始，时间量子能够具有如下长度：
时间量子（n）= m（n）* 最小时间量子
其中m是预定标器的值。CAN FD协议定义针对预定标器的两个值m（1）和m （2），每个位速率一个，导致时间量子的两个不同的长度。
针对第一位速率的时间片段的长度：
SYNC_SEG(1) 是1个时间量子（l）长。
PROP_SEG(l) 可编程为1、2、...、8 个时间量子（l）长。
PHASE_SEG1(1) 可编程为1、2、...、8 个时间量子（l）长。
PHASE_SEG2(1) 是PHASE_SEG1 ( 1 )和信息处理时间中的最大者
信息处理时间小于或等于2 个时间量子（l）长。
针对第二位速率的时间片段的长度
SYNC_SEG(2) 是1个时间量子（2）长
PROP_SEG(2) 可编程为0、1、2、...、8 个时间量子（2）长。
PHASE_SEG1(2) 可编程为1、2、...、8 个时间量子（2）长。
PHASE_SEG2(2) 是PHASE_SEG1 ( 2 )和信息处理时间中的最大者
信息处理时间小于或等于2 个时间量子长。
位时间中时间量子的总数必须可编程为至少从8到25。在两个位定时配置中采样点的位置可以不同，可以在针对第二位速率的配置中减小PROP_SEG的长度。
CAN FD实施方式：
CAN FD协议实施方式应当提供与CAN协议实施方式相同的控制器主机接口以提供用于现存CAN应用的容易的迁移路径。最小所要求的差别是用于CAN FD操作的新配置寄存器。
CAN FD协议允许具有多于八个数据字节的帧。不需要所有CAN FD实施方式支持更长的帧，CAN FD实施方式可能被限制于数据字段长度的子集。在帧中仅仅支持高达例如八个数据字节的CAN FD实施方式不应当将所接收的更长的帧处置为错误，无故障的更长的帧应当被确认并且应当参与接受滤波。应当丢弃超过CAN FD的数据处理容量的被接收的数据字节。被请求传送更长的帧的这种受限CAN FD实施方式应当在帧中填充超过利用恒定数据字节模式的数据处理容量的数据字节。应当选择该模式以使得其不引起例如0x33的填充位的***。
CAN实施方式的CAN FD容许
CAN FD与CAN协议共享物理层。然而，帧格式是不同的。在CAN FD帧中存在两个新的控制位，第一个，命名为EDL，启用具有不同的数据长度编码的新的帧格式，以及，第二个，命名为BRS，在决定仲裁之后可选地切换到更快的位速率。引入新的CRC多项式以确保与在被证实的CAN协议中具有相同的汉明间距的更长的CAN FD帧。已经将CAN FD帧格式定义为使得CAN帧格式和CAN FD帧格式中的消息能够在相同的网络内共存。
本发明描述基准CAN协议的修改，其允许CAN实施方式容许CAN FD帧。对CAN FD帧的容许意指它们忽略CAN FD帧并且不扰乱它们。
根据CAN FD规范，根据CAN FD规范设计的CAN FD实施方式和根据BOSCH CAN规范2.0设计的基准CAN实施方式能够与彼此进行通信，只要它没有利用CAN FD帧格式。 这使得CAN***能够逐渐地迁移到CAN FD***中。 在引入阶段中，可以仅仅在例如在行结束编程的软件下载的特定操作模式中使用CAN FD，而不支持CAN FD的其它的控制器被保持为备用。
CAN FD实施方式能够解码所有CAN帧，但是根据BOSCH CAN规范2.0或者ISO11898-1的基准CAN实施方式将毁坏具有错误帧的CAN FD帧。
本发明描述允许CAN实施方式容许CAN FD帧的协议的修改，这意味着将CAN FD帧忽略而不将其毁坏。将CAN协议的两个现存特征组合以使CAN实施方式是CAN FD容许的。第一个特征是：当CAN实施方式在重新启动之后或在总线关断恢复序列（BUS_OFF RECOVERYSEQUENCE）期间将本身同步到总线活动时，用于检查十一个连续的隐性位的发生的计数器。第二特征是：作为位同步基础每个时间量子选通CAN总线输入一次的边缘检测机制。
CAN FD EDL管理：
根据本发明修改的CAN实施方式使用以下机制变得容许CAN FD：在具有标准格式的基准CAN帧中的位位置r0处或者在具有扩展格式的基准CAN帧中的位位置rl处检测到隐性位（即，对应于CAN FD帧的EDL位的位置，参见图la和lb）之后，修改的CAN实施方式立即重新启动它们的协议解码状态机。它们在不改变它们的错误计数器的情况下并且在不发送错误帧的情况下重新启动，并且执行CAN FD恢复，如在下文中描述的。
CAN FD恢复：
如所提到的，利用协议解码状态机的重新启动来开始CAN FD恢复。协议解码状态机然后将等待直到它已经通过检查十一个连续的隐性位的序列而将本身同步到总线活动。在该序列内部不可以有任何隐性到显性的边缘，这样的边缘应当重新启动位计数。 当检测到这个序列时，单元应当是空闲的，准备好用于帧开始，切换到接收机或者传送机。
该机制的优点是：确保修改的CAN节点将等待直到CAN FD消息已经被相继地传送（或者如果CAN FD节点检测到错误原因，被错误帧中断）。 在CAN FD消息的传送期间，对十一个连续的隐性位的序列的需求将决不会变为真实的，并且因此修改的CAN节点将不结束CAN FD恢复，如所描述的那样。 因此，CAN FD恢复方法允许修改的CAN实施方式容许所有CAN FD帧。
有利的是，CAN FD帧数据阶段内的位时间（参见图2）不比CAN FD仲裁阶段中的一个时间量子短。 另外，可以可能的是，由修改的CAN节点在CAN FD帧中在罕见的情况下观察到十一个连续的隐性位。
CAN FD帧的检测将不引起错误计数器的递增，CAN实施方式将能够在CAN FD帧已经结束之后立即恢复总线活动。
Claims (9)
1.通过在借助于总线***被连接的传送节点和至少一个接收修改CAN节点之间交换数据帧来进行串行通信的方法，
其中，通过在CAN-标准ISO 11898-1中定义的仲裁过程来针对每个数据帧将传送机和接收机的角色指配给节点，
其中，所交换的数据帧具有根据CAN-标准ISO 11898-1的逻辑结构，
其中，数据帧由位的序列组成，
其中，数据帧的逻辑结构包括帧开始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结束字段，
其中，每个位具有位时间，
其中CAN FD数据帧在仲裁过程结束之后具有较短的位时间或较长的数据字段，
其中所述传送节点传送CAN FD数据帧，
其特征在于：响应于控制字段内的特定位的预定义的值，所述修改CAN节点重新启动其协议解码状态机，并且通过使用计数器和边缘检测机制检查十一个连续的隐性位的序列来等待直到其已经将本身同步到总线活动，边缘检测机制被配置为如果检测到边缘则重新启动计数器。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：所述修改CAN节点在不改变其错误计数器的情况下重新启动其协议解码状态机。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：所述修改CAN节点在不发送错误帧的情况下重新启动其协议解码状态机。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：每个位时间被划分为时间片段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），
以时间量子的整数倍来定义时间片段的长度，
其中，时间量子是从振荡器周期导出的固定时间单位，
其中所述边缘检测机制每个时间量子选通总线输入一次。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：第二节点在所传送的帧的CAN FD数据阶段中使用较短的位时间进行通信，
其中，CAN FD数据阶段在控制字段的传送期间开始并且在确认字段的传送期间结束，
并且其中，CAN FD数据阶段内的位时间不比CAN FD仲裁阶段中的一个时间量子短。
6.通过在借助于总线***被连接的传送节点和至少一个接收修改CAN节点之间交换数据帧来进行串行通信的设备，
其中，通过在CAN-标准ISO 11898-1中定义的仲裁过程来针对每个数据帧将传送机和接收机的角色指配给节点，
其中，所交换的数据帧具有根据CAN-标准ISO 11898-1的逻辑结构，
其中，数据帧由位的序列组成，
其中，数据帧的逻辑结构包括帧开始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC字段、确认字段和帧结束字段，
其中，每个位具有位时间，
其中CAN FD数据帧在仲裁过程结束之后具有较短的位时间或较长的数据字段，
其特征在于：
其中CAN FD数据帧由所述传送节点传送，
响应于所述CAN FD数据帧的控制字段内的特定位的预定义的值，设备重新启动其协议解码状态机，并且通过使用计数器和边缘检测机制检查十一个连续的隐性位的序列来等待直到其已经将本身同步到总线活动，边缘检测机制被配置为如果检测到边缘则重新启动计数器。
7.根据权利要求6所述的设备，
其特征在于：设备在不改变其错误计数器的情况下重新启动其协议解码状态机。
8.根据权利要求6或7所述的设备，
其特征在于：设备在不发送错误帧的情况下重新启动其协议解码状态机。
9.根据权利要求6或7所述的设备，
其特征在于：每个位时间被划分为时间片段（SYNC_SEG、PROP_SEG、PHASE_SEG1、PHASE_SEG2），
以时间量子的整数倍来定义时间片段的长度，
其中，时间量子是从振荡器周期导出的固定时间单位，
其中所述边缘检测机制每个时间量子选通总线输入一次。
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