隨著市場(chǎng)對(duì)汽車安全性、智能性、環(huán)保性等要求越來(lái)越高，汽車裝配的電子控制單元數(shù)目迅速增加。因此汽車電子對(duì)車載總線的帶寬和傳輸速率提出了更高的要求，目前CAN（Controller Area Network）已經(jīng)難以滿足日益增加的需求。CANFD（CAN with Flexible Data-Rate）從傳輸速率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度兩方面優(yōu)化了CAN總線的性能。本文實(shí)現(xiàn)了基于CANFD總線的速率為5Mbps的 Bootloader軟硬件的開(kāi)發(fā)，提高了目前汽車電子控制器軟件下載更新的速率。

CANFD介紹

CANFD總線于2011年由博世公司首次提出，在2015年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）正式發(fā)布支持CANFD的11898-1協(xié)議。與CAN總線相比較，CANFD主要優(yōu)化了以下方面：
•仲裁場(chǎng)和應(yīng)答場(chǎng)速率可達(dá)1Mbps；數(shù)據(jù)場(chǎng)速率可變，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景可以達(dá)到5Mbps或者更高；
•數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可變，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64個(gè)字節(jié)。
綜合以上幾處優(yōu)化，CANFD在以下幾方面應(yīng)用較有優(yōu)勢(shì)：
•與傳統(tǒng)CAN相比，更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)域，帶寬利用率更高；
•傳輸速率更快，就目前而言，正常通信時(shí)，可達(dá)到2Mbps的通信速率，如將原標(biāo)準(zhǔn)CAN網(wǎng)段替換為CANFD網(wǎng)段可有效降低原網(wǎng)段的負(fù)載率，下載時(shí)，可達(dá)5Mbps的通信速率，可有效提升下載效率；
•可用于長(zhǎng)度大于8個(gè)字節(jié)的信號(hào)的傳輸，例如PEPS的身份認(rèn)證信號(hào)，在標(biāo)準(zhǔn)CAN中，需使用多條CAN報(bào)文傳輸，在CANFD中，只需一條CANFD報(bào)文即可。

CANFD報(bào)文與CAN報(bào)文格式的區(qū)別如圖1所示。
•CANFD報(bào)文新增了FDF（FD format）位，用于區(qū)分傳統(tǒng)CAN報(bào)文和CANFD報(bào)文。BRS（bit-rate switch）位表示數(shù)據(jù)場(chǎng)的速率切換；ESI（error state indicator）位表示目前節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤界定狀態(tài)；
•考慮到數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度增加，為了提高通信的可靠性，CANFD設(shè)計(jì)了新的冗余校驗(yàn)機(jī)制；
•除了ISO11898，ISO15765-2也針對(duì)CANFD的應(yīng)用進(jìn)行了更新，當(dāng)前的診斷協(xié)議的傳輸層已支持CANFD報(bào)文格式。

圖1.CANFD報(bào)文與CAN報(bào)文格式對(duì)比

Bootloader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
•系統(tǒng)概述
如圖2所示，整套刷新系統(tǒng)主要包括Bootloader上位機(jī)、刷寫工具以及集成Bootloader下位機(jī)軟件的控制器。用戶通過(guò)上位機(jī)的交互界面進(jìn)行傳輸速率、請(qǐng)求ID等設(shè)置并加載需要更新的控制器軟件程序。Bootloader下位機(jī)軟件接收上位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)并寫入到控制器的Flash存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)控制器的在線刷新。刷寫工具主要用于CANFD報(bào)文傳輸。

圖2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

•硬件實(shí)現(xiàn)
本實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)發(fā)了帶CANFD接口的控制器。圖3給出了控制器在CANFD收發(fā)器端的硬件原理框圖。系統(tǒng)控制器選用瑞薩RH850 F1H系列芯片，該芯片支持6路CANFD，CANFD收發(fā)器選用NXP公司的TJA1044GT。為保證控制器的EMC性能以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求，收發(fā)器需匹配合適的外圍電路，包括終端電阻、終端電容及共模電感等。

圖3.RH850F1H端CANFD收發(fā)器原理圖

•軟件實(shí)現(xiàn)
♦ Bootloader下位機(jī)軟件
Bootloader軟件基于HIS協(xié)議開(kāi)發(fā)。Bootloader軟件架構(gòu)采用分層模塊，能夠盡量降低模塊之間耦合，提高開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量。
Bootloader軟件主要由CANFD Driver、CANFD TP和DCM三部分組成，CANFD Driver模塊實(shí)現(xiàn)CANFD控制器和收發(fā)器硬件初始化以及CANFD報(bào)文收發(fā)，CANFD TP主要實(shí)現(xiàn)ISO 15765-2協(xié)議以及診斷報(bào)文的處理，DCM模塊實(shí)現(xiàn)ISO14229中與程序下載相關(guān)的服務(wù)。

圖4.Bootloader軟件架構(gòu)

Memory Operation Module負(fù)責(zé)控制器內(nèi)存邏輯塊配置、分段處理和非易失性數(shù)據(jù)管理。Security Module負(fù)責(zé)安全訪問(wèn)算法和數(shù)據(jù)完整性算法。Runtime Environment實(shí)現(xiàn)診斷協(xié)議的回調(diào)處理和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。上層的Bootloader Manager負(fù)責(zé)應(yīng)用程序和Bootloader啟動(dòng)處理及Stay In Boot功能。Bootloader Application實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘配置、時(shí)間片處理及中斷重映射功能。

♦ Bootloader上位機(jī)軟件

圖5.Bootloader上位機(jī)配置界面

上位主要功能為系統(tǒng)設(shè)置和軟件升級(jí)兩部分。系統(tǒng)設(shè)置中可以進(jìn)行仲裁場(chǎng)波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)場(chǎng)波特率設(shè)置、通信通道選擇、請(qǐng)求和響應(yīng)ID設(shè)置、ID類型選擇。為保證傳輸數(shù)據(jù)有效，上位機(jī)中設(shè)置有CRC校驗(yàn)算法和安全訪問(wèn)算法的輸入，CRC校驗(yàn)用以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，安全訪問(wèn)算法與下位機(jī)中的安全訪問(wèn)算法保持一致。軟件升級(jí)主要為驅(qū)動(dòng)文件選擇和需要刷新的數(shù)據(jù)文件的添加。

ECU刷新實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證基于CANFD總線的軟件刷新效率，分別基于CANFD總線和CAN總線的Bootloader軟件進(jìn)行了八組刷寫實(shí)驗(yàn)。

圖6.ECU軟件刷新實(shí)驗(yàn)

表1.基于CANFD和CAN總線的刷寫速率對(duì)比

如表1所示，CANFD總線仲裁場(chǎng)設(shè)置速率為500kbps，數(shù)據(jù)場(chǎng)速率設(shè)置為5Mbps， CAN總線的通信速率設(shè)置為500kbps。 刷寫數(shù)據(jù)范圍從420kb到3392kb，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知基于CANFD的刷寫效率相對(duì)普通CAN 分別提升保持在300%之上。

總結(jié)
本文介紹了基于CANFD的Bootloader軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)于傳統(tǒng)的基于CAN總線刷新方式，基于CANFD總線的刷新效率有較大的提高。目前車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般會(huì)根據(jù)控制器的功能分為多個(gè)網(wǎng)段，各個(gè)網(wǎng)段之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)交互信息。在未來(lái)車載控制器刷新中可以充分利用CANFD的帶寬，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)關(guān)的多路控制器同時(shí)刷新。