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基于CANFD总线 的车载Bootloader设计与实现

        随着市场对汽车安全性、智能性、环保性等要求越来越高,汽车装配 的电子控制单元数目迅速增加。因此汽车电子对车载总线 的带宽和传输速率提出了更高 的要求,目前CAN(Controller Area Network)已经难以满足日益增加 的需求。CANFD(CAN with Flexible Data-Rate)从传输速率和数据长度两方面优化了CAN总线 的性能。本文实现了基于CANFD总线 的速率为5Mbps 的 Bootloader软硬件 的开发,提高了目前汽车电子控制器App下载更新 的速率。

 

CANFD先容

        CANFD总线于2011年由博世企业首次提出,在2015年国际标准化组织(ISO)正式发布支撑CANFD 的11898-1协议。与CAN总线相比较,CANFD主要优化了以下方面:
• 仲裁场和应答场速率可达1Mbps;数据场速率可变,根据具体 的应用场景可以达到5Mbps或者更高;
• 数据场 的长度可变,数据长度可达64个字节。
        综合以上几处优化,CANFD在以下几方面应用较有优势:
• 与传统CAN相比,更长 的数据域,带宽利用率更高;
• 传输速率更快,就目前而言,正常通信时,可达到2Mbps 的通信速率,如将原标准CAN网段替换为CANFD网段可有效降低原网段 的负载率,下载时,可达5Mbps 的通信速率,可有效提升下载效率;
• 可用于长度大于8个字节 的信号 的传输,例如PEPS 的身份认证信号,在标准CAN中,需使用多条CAN报文传输,在CANFD中,只需一条CANFD报文即可。

        CANFD报文与CAN报文格式 的区别如图1所示。
• CANFD报文新增了FDF(FD format)位,用于区分传统CAN报文和CANFD报文。BRS(bit-rate switch)位表示数据场 的速率切换;ESI(error state indicator)位表示目前节点 的错误界定状态;
• 考虑到数据场长度增加,为了提高通信 的可靠性,CANFD设计了新 的冗余校验机制;
• 除了ISO11898,ISO15765-2也针对CANFD 的应用进行了更新,当前 的诊断协议 的传输层已支撑CANFD报文格式。

图1.CANFD报文与CAN报文格式对比

 

Bootloader设计与实现
• 系统概述
        如图2所示,整套刷新系统主要包括Bootloader上位机、刷写工具以及集成Bootloader下位机App 的控制器。用户通过上位机 的交互界面进行传输速率、请求ID等设置并加载需要更新 的控制器App程序。Bootloader下位机App接收上位机传递 的数据并写入到控制器 的Flash存储器中,实现控制器 的在线刷新。刷写工具主要用于CANFD报文传输。

图2.系统结构图

• 硬件实现
        本实验中,开发了带CANFD接口 的控制器。图3给出了控制器在CANFD收发器端 的硬件原理框图。系统控制器选用瑞萨RH850 F1H系列芯片,该芯片支撑6路CANFD,CANFD收发器选用NXP企业 的TJA1044GT。为保证控制器 的EMC性能以及网络系统要求,收发器需匹配合适 的外围电路,包括终端电阻、终端电容及共模电感等。

图3.RH850F1H端CANFD收发器原理图

• App实现
    ♦  Bootloader下位机App
        BootloaderApp基于HIS协议开发。BootloaderApp架构采用分层模块,能够尽量降低模块之间耦合,提高开发效率和质量。
        BootloaderApp主要由CANFD Driver、CANFD TP和DCM三部分组成,CANFD Driver模块实现CANFD控制器和收发器硬件初始化以及CANFD报文收发,CANFD TP主要实现ISO 15765-2协议以及诊断报文 的处理,DCM模块实现ISO14229中与程序下载相关 的服务。

图4.BootloaderApp架构

        Memory Operation Module负责控制器内存逻辑块配置、分段处理和非易失性数据管理。Security Module负责安全访问算法和数据完整性算法。Runtime Environment实现诊断协议 的回调处理和控制整个系统 的运行。上层 的Bootloader Manager负责应用程序和Bootloader启动处理及Stay In Boot功能。Bootloader Application实现时钟配置、时间片处理及中断重映射功能。

    ♦  Bootloader上位机App

图5.Bootloader上位机配置界面

        上位主要功能为系统设置和App升级两部分。系统设置中可以进行仲裁场波特率设置、数据场波特率设置、通信通道选择、请求和响应ID设置、ID类型选择。为保证传输数据有效,上位机中设置有CRC校验算法和安全访问算法 的输入,CRC校验用以保证数据传输 的完整性,安全访问算法与下位机中 的安全访问算法保持一致。App升级主要为驱动文件选择和需要刷新 的数据文件 的添加。

 

ECU刷新实验
        为了验证基于CANFD总线 的App刷新效率,分别基于CANFD总线和CAN总线 的BootloaderApp进行了八组刷写实验。

图6.ECUApp刷新实验

表1.基于CANFD和CAN总线 的刷写速率对比

        如表1所示,CANFD总线仲裁场设置速率为500kbps,数据场速率设置为5Mbps, CAN总线 的通信速率设置为500kbps。 刷写数据范围从420kb到3392kb,对比实验数据可知基于CANFD 的刷写效率相对普通CAN 分别提升保持在300%之上。

 

总结
        本文先容了基于CANFD 的Bootloader软硬件设计及实现,通过实验验证相对于传统 的基于CAN总线刷新方式,基于CANFD总线 的刷新效率有较大 的提高。目前车载网络架构一般会根据控制器 的功能分为多个网段,各个网段之间通过网关交互信息。在未来车载控制器刷新中可以充分利用CANFD 的带宽,实现基于网关 的多路控制器同时刷新。

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