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未来CAN FD与以太网会共存吗

2019年01月04日 11:20:34来源:电子发烧友网作者:高工智能汽车关键词:以太网,CAN
  到目前为止,CAN已经安装了数十亿个单元,是一种经过验证的车载网络技术,它对于车内设备的数据包通信的可靠性优势,也许在未来和今天一样重要。
 
  上世纪80年代由博世为汽车工业中的安全关键系统而设计,CAN提供了一些独特的特性,使其广泛地应用于任何安全可靠的车载控制系统。
 
  可靠性:CAN被认为是传输实时数据的最可靠方法之一。CAN协议确定每个正在发送的消息的优先级,从而允许简单、不间断的通信流,即使同时发送多个消息。
 
  数据一致性:这在CAN系统中得到保证,因为每个节点接收相同的消息,并且所有节点在接受消息之前检查消息是否正确。数据一致性是任何安全保障系统的强制要求,CAN提供了满足这一要求的方式。
 
  保证延迟:在CAN中,高优先级消息可以同时传输,并且逐位仲裁将以可预测的方式解决任何消息冲突。具有25个节点的CAN系统保证高优先级消息的延迟小于0.25毫秒。
 
  相比之下,标准以太网不能保证等待时间。解决办法包括安装用于闭环控制的专用以太网网络,但最终,这些网络可能很昂贵(至少目前看是这样)。
 
  一种有效的寻址方法:CAN没有地址,只有消息内容的标识符,允许非常短的消息,即仅内容标识符和值。因此,所有连接的CAN模块都接收每个消息,由接收方选择要处理的正确消息。发送节点不需要知道谁应该接收消息,并且接收节点不需要知道消息源。
 
  同时,CAN确保所有接收器获得与跨所有单元的同步决策相同的数据。这是在控制系统中建立连接的非常有效的方法,使得能够轻松地创建点对点、多播和广播消息传递方案。
 
  CAN独特的寻址方法提供了高水平的系统和配置灵活性:添加和减少CAN节点无需硬件或软件修改。
 
  网络范围的错误检测:在CAN中,所有节点都参与错误检测过程。如果任何节点检测到错误,则所有节点在消息可用于应用程序之前删除它,从而确保没有单元处理不同的数据。
 
  然后,发射端重新传输消息,导致以CAN较高的比特率进行的重传的最大延迟在毫秒以内。
 
  但CAN并非没有它的局限性。为了提供实时性能,CAN比特率根据总线的长度进行了限制。此外,包长度随着时间而受到限制,以确保低优先级CAN帧不能延迟高优先级信息。
 
  现在,比较明确的趋势是向CAN FD的过渡。
 
  此后,博世公司与几家汽车制造商和CAN行业参与者共同开发了一个更强大的CAN协议,就是2011年发布的CAN FD(Flexible Data-Rate),增加了数据部分中的比特率,使得在不增加CAN帧的时间长度的情况下增加数据部分中的字节数成为可能。
 
  性能和带宽的这种改进促进了诸如加密、身份验证和显示之类的应用,这三个关键驱动因素是对每个CAN帧中更多数据的需求。
 
  和传统的CAN相比,CAN FD具有较短的CAN帧,同时增加比特率,这降低了等待时间,提高了实时性能并增加了带宽。
 
  CAN FD还可以在CAN帧中保存更多的数据:每帧从8字节到64字节。相对较少的开销,可以期待更好的数据吞吐量。当发送大型数据对象时,您可以依赖更简单、更有效的软件。
 
  此外,CAN FD具有更高性能的CRC算法,降低了未检测到错误的风险。
 
  目前,CAN FD正与几家大型汽车制造商积极开发,并拥有来自Microchip、NXP、STMicro和TI等公司的大量支持。CAN FD增加的性能和通信带宽使其成为传统CAN和未来自动驾驶汽车中正在实现的更复杂的协议(如FlexRay和以太网)之间的理想中间地带。
 
  而汽车工业向CAN FD过渡的最紧迫原因之一是系统内所有级别的安全必要性。CAN一般在封闭系统内运行,不能从外部访问,在一个帧中具有多达64个数据字节,CAN FD为安全签名提供了大量空间。
 
  随着CAN FD开始出现在中高端微控制器中,内置的硬件支持安全算法如高级加密标准(AES)是可能的,软件解决方案可用于保护CAN和CAN FD。
 
  那么,未来CAN FD与以太网会共存吗?
 
  我们知道面向自动驾驶、车联网及V2X,带宽正在成为问题,为什么不简单地使用以太网而不是CAN FD呢?
 
  当需要传输大量信息时,以太网有它的优势,但前提是时间延迟不是必要条件,它也适合于专用的点对点通信,其中不需要“争抢”通信带宽,例如在摄像头和正在处理图像的ECU之间。
 
  然而,CAN是专门为分布式嵌入式控制系统设计的,其中数据一致性和消息冲突解决是以可预测的方式执行的。
 
  如果指定CAN使用相同的物理层技术,则CAN可以与以太网相同的比特率运行(比特率越低,系统越健壮,因此为什么指定CAN为低比特率)。
 
  展望未来,CAN和以太网完全有可能在同一物理层上共存,例如通过将CAN控制器置于静默模式一段时间,允许网络与以太网或用于交换非控制信息的另一协议一起操作。
 
  使用高速协议要求使用更好的线缆和更好的布线布局,这反过来可以使CAN控制系统比今天更加可靠。
 
  显而易见的是,CAN和以太网一样,并没有停止演进。CAN也正在计划进一步增加有效负载,使最大字节数从CAN-FD的64个字节增加到4096个字节。而CAN被证明的可靠性和使用低成本仍然是其有力竞争武器。
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