Пролог

Попробуем разузнать что-нибудь про CAN FD. Однако сначала вспомним как работает классический CAN. Образно выражаясь CAN - это труба для чисел. Можно метафорично сказать, что CAN - это нервная система автомобиля. Именно по САN передаются сигналы от датчиков и к исполнительным механизмам.

Физический уровень.

Физика CAN проста. Есть 2 скрученных провода с именами CAN_H и CAN_L. Скрутка позволяет преодолевать электромагнитные помехи. Классический CAN позволяет подключить до 127 устройств. По концам шины нужны терминирующие резисторы. В режиме IDLE пины подтянуты одновременно и к земле и к питанию. Поэтому там как правило 2.5V

ТТак выгладят классические пакет.

Канальный уровень

Биты образуют массив, который формирует пакет CAN. Пакет содержит идентификаторы данные и служебные биты (подтверждение, длина поля данных). CAN пакет передает массив с цифрами (пакет). В пакете самое важное это 8 байт (64 бит) полезных данных. Мы это называем сообщением. Внутри сообщения есть параметры (они же сигналы). У каждого параметра есть номер. Параметры могут быть как вдавлены друг в друга так и размазаны по битам поля данных. Максимум в одном сообщении может быть 64 параметра (сигнала) (по одному биту на параметр в предельном случае). В идеологии CAN классического запрос-ответ нет, как в modbus. Обычно ноды просто непрерывно флудят в шину и тот, кому надо выхватывает то, что ему надо.

Транспортный уровень

Для классического CAN нужен транспортный протокол. Обычно им является протокол ISO-TP

Уровень приложения

В сетях на основе CAN на уровне приложения обычно гоняют UDS или J1939.

Бинарная структура пакета CAN Classic

Бинарную структуру CAN пакета можно изучить тут

Пояснения битовых полей представлены в этой таблице.

Если трансивер передатчика не увидит бит подтверждения ACK, то передатчик будет снова и снова непрерывно передавать этот же CAN пакет, до тех пор пока его кто-нибудь не примет. Таким образом, шина будет занята на 100 %. Однако некоторые микроконтроллеры всё же позволяют настроить MAC на одиночную отправку.

А это структуру пакета с расширенным идентификатором.

Недостатки CAN classic

--Слишком много метаданных. Даже при 11-битных идентификаторах и максимальной длине данных. В лучшем случае на 64 бита полезных данных приходится 47 бит служебной информации, т.е. эффективность менее 58%.

--Объем данных в кадре относительно небольшой - 8 байт. В ранних системах этого было достаточно, но сегодня объем данных значительно увеличился. Узлы должны передавать несколько кадров.

На первый взгляд кажется, что эти две проблемы можно решить, увеличив длину поля данных, но тогда шина будет постоянно перегружена, и устройства с более низким приоритетом могут оказаться недоступными. Кадр с 8 байтами данных (длина кадра 111 бит) обменивается со скоростью 250 кбит/с. Можно подсчитать, что кадр с 8 байтами данных (длина кадра 111 бит) занимает шину в течение 0,4 мс при скорости 250 кбит/с. Если размер данных составляет 64 байта (длина кадра 559 бит или более), то шина будет занята за 5,6 мс. Это означает, что за это время ни одно устройство не сможет ничего передать. Это не очень то вяжется для управления real time процессами для которых и был создан CAN.

Ограничения классического CAN были учтены при разработке его следующей версии CAN FD.

Что такое CAN FD?

Шина CAN-FD – это следующий этап развития классической шины CAN. CAN с гибкой скоростью передачи данных (CAN FD) является расширением исходного протокола шины CAN, предназначенного для предоставления более точных данных в реальном времени с увеличенной пропускной способностью для удовлетворения требований сетей транспортных средств следующего поколения.

CAN-FD обеспечивает более высокую скорость передачи данных и больший объем передаваемых данных в одном кадре.

Основные отличия CAN-FD от классической шины CAN:

--CAN-FD работает одновременно на двух скоростях. Поле арбитража или заголовок кадра передается со скоростью такой же как и в классическом варианте, например 500 кбит/с.
А поле данных передается на скорости кратно превышающую скорость передачи заголовка,
и может иметь значение вплоть до 12 Мбит/с. В CAN FD скорость обмена данными на участке передачи байт данных увеличина, между фазой арбитража, куда входит поле ID и DLC, и фазой ожидания подтверждения.

--CAN-FD может передать до 64 байт данных в одном пакете. А классический CAN максимум 8 байт. То есть пакет в 8 раз больше!

--Совместимость с сетями CAN 2.0A и CAN2.0B. CAN-FD контроллер способен принимать классические CAN пакеты, а классический CAN контроллер не способен принимать пакеты формата CAN-FD.

--Для шины CAN-FD необходимо применять специальные микросхемы-трансиверы с повышенным быстродействием, например PIC18Q84, TJA1145T/FD, TCAN4550-Q1 и прочие.

В кадр CAN-FD, в контрольное поле добавлены биты:

Таким образом на шине CAN FD существуют следующие варианты передачи пакетов:

--11-битный ID, В классическом CAN формате с количеством байт данных до 8.

--11-битный ID, В формате CAN-FD с переключением скоростей и количеством байт данных до 64.

--11-битный ID, В формате CAN-FD без переключения скоростей и количеством байт данных до 64 .

--29-битный ID, В классическом CAN формате с количеством байт данных до 8.

--29-битный ID, В формате CAN-FD с переключением скоростей и количеством байт данных до 64.

--29-битный ID, В формате CAN-FD без переключения скоростей и количеством байт данных до 64 .

 Таким образом из-за различий в базовом формате кадра между CAN-FD и CAN отсутствует совместимость снизу вверх. Таким образом модуль CAN не может принимать кадры CAN-FD. При этом CAN-FD может принимать пакеты классического CAN

Структура пакета CAN FD

Для увеличения максимальной длины данных потребовалось скорректировать формат фрейма CAN FD.

Формат фрейма CAN FD имеет несколько важных отличий от формата фрейма классического CAN:

--после передачи ID вместо бита RTR передается бит RRS, который всегда имеет доминантное состояние. Таким образом, в CAN FD поддерживаются только фреймы данных;

--вместо зарезервированного бита R0, который всегда является доминантным в классическом CAN, передается рецессивный бит EDL (Extend Data Length), сообщающий о том, что это фрейм CAN FD;

--бит BRS (Bit Rate Switching) сообщает приемнику о переключении частоты передачи при передаче данных (подробнее о переключении частот будет рассказано далее);

--бит ESI (Error State Indicator) сообщает, что узел находится в режиме Error-active или Error-passive;

--поле DLC осталось 4-битным и кодирует длину поля данных;

--поле данных может иметь длину до 64 байт;

--защита от потери данных кодируется кодом CRC, который сопровождается полем счетчика бит-стаффинга (поле STC)

Практическая часть.

Настало время попробовать CAN-FD на практике. Надо найти какое-нибудь электронное устройство с поддержкой CAN-FD. Таким устройством является учебно-тренировочная электронная плата под названием YTM32B1M-EVB-0144 Rev.B. Вот такая в ней электронная начинка.

Что касается физики CAN, то там есть трансивер TJA1044GT/3Z. Это чисто аналоговая микросхема. Сам MAC контроллер обитает внутри SoCa YTM32B1ME05G0MLQ.

Для самой минималистической отладки CAN-FD надо на своём верстаке собрать такой комплект.

Программная часть

Все исходные коды для запуска CAN-FD присутствуют в свободно распространяемой SDK от производителя микроконтроллеров. YTM32B1ME0_1_3_1\YTM32Bx_SDK\platform\drivers\src\flexcan\flexcan_driver.c

вот буквально ключевые функции.

По ключевому имени этих функций утилитой grep вы найдете даже пример настройки CAN-FD в папке
YTM32B1ME0_1_3_1\YTM32Bx_SDK\YCT_Demos\YTM32B1ME0\Flexcan\YCT\Flexcan_Canfd_Demo\app\main.c

Драйвер позволяет настраивать следующие основные параметры

Помимо запуска самого драйвера CAN надо также настроить PIN MUX значения внутренних мультиплексоров для GPIO, чтобы подключить к пинам именно CAN периферию, а не что-либо другое.

Значения PIN MUX можно найти в спеке на микроконтроллер под названием YTM32B1ME0x Reference Manual. Искать надо по имени GPIO пина, например пин PTD2 в спеке будет находится по имени PTD_2. То есть через нижнее подчеркивание.

И так для всех остальных пинов, которые вы хотите задействовать в своём микроконтроллере. 

Как настраивать остальной ToolChain для разработки под YTM32x можно почитать в предыдущем тексте.

Отладка

Вот я запрограммировал драйвер CAN-FD, накатил прошивку, как же проверить, что CAN-FD в самом деле работает? Как водится, первым делом смотрим лог начальной загрузки (ЛНЗ).

Видно что API от SDK везде отработали отлично.

Типичная ситуация. Есть устройство с CAN. Как проверить, что оно готово к работе? Я подключился к CAN шине щупами осциллографа к проводам CAN_L и CAN_H. В режиме IDLE там будет по 2.5V на каждом пине. Разность CAN_L -CAN_H составит 0V. Когда ничего не передается на проводах CAN_H=2.3….2.5V, CAN_L=2,3….2.5V и разность напряжений 0V. Если передается бит, то возникает разность напряжений CAN_H - CAN_L и MAC контроллер CAN это интерпретирует, как сырые биты с данными.

Осциллографом можно убедиться, что битовая скорость в самом деле как и было установлено в конфиге составляет 2M Bit/s

По хорошему надо конечно же использовать переходник с USB на CAN-FD, соединить электронную плату и LapTop PC через этот переходник и при помощи специализированного DeskTop ПО на PC анализировать испускаемые гаджетом пакеты. Однако трудность в том, что у меня нет ни переходника ни специализированного ПО. В связи с этим надо как-то импровизировать. Как можно заметить, на плате заложено аж 4 порта для физики CAN трансивера. Надо как-то этим воспользоваться.

Можно просто соединить CAN порты между собой самыми обыкновенными проводами-перемычками. Вот по такому правилу.

Эта техника называется словом LoopBack (петля). Микроконтроллер сам отправляет и сам же принимает свои же CAN пакеты. Как говорят в народе: "клин клином вышибают". Одновременно с этим в прошивке реализована UART-CLI, где можно своими глазами увидеть через утилиту TeraTerm вот такой лог.

Как можно заметить, CAN-FD пакеты благополучно отправляются и принимаются со всех четырех доступных портов. Получился своего рода импровизированный WireShark только на MCU и с доступом через UART-CLI.

Итоги

Удалось научиться пользоваться CAN-FD на микроконтроллере YTM32. Примерно понятно, как отправлять и как принимать пакеты.

Словарь

Ссылки

 Вопросы:

--Каким переходником с USB на CAN-FD можно отлаживать интерфейс CAN-FD? Какое для этоно нужно ПО?

--Как взламывать CAN трафик в иномарках? Какой пакет CAN шины отвечает за скорость автомобиля?

--Как найти в CAN трафике легкового автомобиля пакет, который показывает количество пассажиров в автомобиле?

--Как измерить процент загрузки CAN шины трафиком в реальном времени?