CAN FD

Что изменилось по сравнению с классическим CAN

Кадр CAN FD начинается так же, как классический, поэтому арбитраж между кадрами обоих форматов работает как раньше. Отличия начинаются в поле управления.

• RRS вместо RTR. Удалённых кадров в формате CAN FD нет, и на месте бита RTR передаётся доминантный бит RRS. Классический удалённый кадр узел CAN FD передать может.
• FDF. На месте доминантного бита r0 классического кадра стоит рецессивный FDF: он и отличает кадр CAN FD. В спецификации Bosch он назывался EDL.
• res. За FDF всегда идёт доминантный резервный бит. Фронт от рецессивного FDF к доминантному res — опорный: по нему узлы жёстко синхронизируются, а передатчик измеряет задержку своего трансивера.
• BRS. Рецессивный BRS включает скорость фазы данных, доминантный оставляет весь кадр на номинальной скорости.
• ESI. Передатчик в состоянии error active передаёт ESI доминантным, в состоянии error passive — рецессивным. Так приёмники узнают о проблемах передатчика.
• Длинное поле данных и CRC. До 64 байт данных; CRC-17 или CRC-21 вместо CRC-15, в ISO-версии — со счётчиком вставленных битов.
• Подтверждение. Передатчик принимает разделитель CRC из одного или двух рецессивных битов, а доминантное подтверждение ACK может занять два бита: после быстрой фазы данных фазы приёмников немного расходятся.

Форматы кадров CiA называет FBFF (базовый формат CAN FD, идентификатор 11 бит) и FEFF (расширенный, 29 бит). В расширенном формате порядок битов как в классическом: SOF, 11 бит идентификатора, SRR, IDE, ещё 18 бит идентификатора, затем RRS, FDF, res, BRS, ESI и DLC.

Если res принят рецессивным, это сейчас ошибка формы. В ISO 11898-1:2015 есть и вариант «исключение протокола»: узел не сообщает об ошибке, а ждёт свободной шины, чтобы будущие форматы кадров не ломали сеть из узлов CAN FD. У MCP2518FD вариант выбирают битом PXEDIS.

DLC и длина поля данных

Код длины DLC по-прежнему 4-битный. Первые девять значений означают то же, что в классическом CAN, а значения 9–15, которые в классическом CAN тоже означают 8 байт, в CAN FD задают длинные поля:

Промежуточных длин нет: 13 байт данных передают в поле на 16 байт, дополняя остаток. Узлам с ограниченным буфером, которые передают поле длиннее своих данных, спецификация Bosch советует заполнять остаток постоянным байтом, который не вызывает вставки битов, например 0xCC.

Две скорости: фаза арбитража и фаза данных

Скорость не может быть высокой, пока решается арбитраж: все узлы должны успеть увидеть каждый бит. Поэтому CAN FD передаёт на номинальной скорости начало кадра — до бита BRS — и конец: разделитель ACK и EOF, а также кадры ошибки и перегрузки. Если BRS рецессивный, контроллеры переключаются на скорость данных сразу после точки выборки BRS и возвращаются к номинальной в точке выборки разделителя CRC. Поэтому эти два бита «смешанные»: их суммарная длина — один номинальный бит плюс один бит фазы данных.

При ошибке в фазе данных узел сразу возвращается к номинальной скорости и передаёт флаг ошибки на ней. Бит фазы данных не может быть длиннее номинального. Правила счётчиков ошибок TEC и REC и переходов в error passive и bus-off те же, что в классическом CAN; контроллеры MCP25XXFD дополнительно считают ошибки отдельно для каждой фазы.

Битовый тайминг двух фаз

Для каждой фазы у контроллера свой набор параметров: предделитель, сегменты, ширина подстройки SJW. Правила те же, что в классическом CAN, — их разбирает калькулятор битового тайминга CAN. Но фаза данных устроена иначе:

• Сегмент распространения почти не нужен. В фазе данных нет арбитража, сигнал не должен успеть дойти до дальнего узла и вернуться, поэтому спецификация Bosch разрешает для неё PROP_SEG(D) от нуля.
• Передатчик не подстраивается в фазе данных: его собственные биты приходят с задержкой трансивера, и подстройка по ним только испортила бы тайминг.
• Одинаковый квант. Microchip советует брать одинаковые предделители номинальной фазы и фазы данных: при одном кванте нет ошибок округления при переключении скорости.
• Одинаковая точка выборки во всех узлах. От её положения зависит длина смешанных битов BRS и разделителя CRC, поэтому точки выборки фазы данных должны совпадать у всех узлов сети.

Пример из руководства Microchip — 500 кбит/с и 2 Мбит/с при тактовой частоте контроллера 40 МГц и кванте 25 нс:

Номинальный сегмент распространения должен покрыть задержку $T_\text{PROP} = 2\,(t_\text{TXD–RXD} + T_\text{шины})$: до 255 нс на трансивер по ISO 11898-1:2015 и около 5 нс на метр кабеля. Для 40 м это 910 нс, то есть не меньше 36,4 кванта; выбрав 47 квантов, Microchip закладывает шину примерно до 60 м.

Допуск генератора считается для обеих фаз сразу. Кроме двух условий классического CAN

где длительность бита NBT и сегменты выражены в квантах, появляется такое же условие для фазы данных $\Delta f \le \mathrm{SJW}_D / (20\,\mathrm{DBT})$ и ещё два, связывающие фазы через отношение предделителей (уравнения 3-15 и 3-16 в DS20005678E). Для примера выше наименьшее из пяти условий даёт 0,78 %. Для сравнения: наибольший допуск генератора в классическом CAN по спецификации Bosch — 1,58 %, и то на скоростях до 125 кбит/с.

CRC, вставленные биты и счётчик

Защита кадра от ошибок в CAN FD усилена четырьмя изменениями: полиномы CRC высшей степени, учёт вставленных битов в CRC, фиксированные вставленные биты в поле CRC и, в ISO-версии, счётчик вставленных битов.

Полиномы. Классический CAN использует CRC-15, CAN FD — CRC-17 для полей данных до 16 байт и CRC-21 для более длинных. Все три дают расстояние Хэмминга 6, а множитель $(x + 1)$ в каждом позволяет обнаружить любое нечётное число искажённых битов:

Все три CRC считаются с начала кадра одновременно, а передатчик отправляет тот, который соответствует формату и DLC. В отличие от классического CAN, в расчёт CRC кадра CAN FD входят и вставленные биты.

Фиксированные вставленные биты. В поле CRC обычное правило «после пяти одинаковых битов вставить противоположный» заменено фиксированным: один вставленный бит перед полем и ещё по одному после каждого четвёртого бита. Каждый такой бит — инверсия предыдущего, и приёмник, увидевший на его месте другое значение, фиксирует ошибку. Так длина поля CRC не зависит от передаваемых данных.

Счётчик вставленных битов. В 2014 году, когда стандарт ISO уже готовили, выяснилось, что исходная версия пропускает некоторые сочетания ошибок. Если помеха превращает обычный бит во вставленный или наоборот, приёмник удаляет не те биты, кадр сдвигается, и CRC такое искажение обнаруживает не всегда. Кроме того, при нулевом начальном значении регистр CRC не меняется, пока идут нулевые биты, — а SOF и старшие биты небольших идентификаторов доминантные. В патенте Bosch приведён пример: идентификатор 0x001 при искажении начала кадра принимается как 0x081.

Поэтому в ISO CAN FD передатчик считает вставленные биты кадра и в начале поля CRC передаёт их число по модулю 8 в коде Грея, бит чётности и фиксированный вставленный бит — инверсию бита чётности. Соседние значения в коде Грея отличаются одним битом, а чётность ловит одиночную ошибку в самом счётчике:

Приёмник сравнивает переданное число со своим подсчётом и при расхождении считает кадр ошибочным, как при несовпадении CRC. Чтобы ошибка осталась незамеченной, теперь нужно не меньше четырёх искажённых битов: два в счётчике и два вставленных или потерянных. Вдобавок регистры CRC-17 и CRC-21 в ISO-версии начинают не с нулей, а с «10…0» — единицы в старшем разряде.

Вместе с разделителем поле CRC занимает 16 бит в классическом CAN, 28 бит с CRC-17 и 33 бита с CRC-21.

ISO CAN FD и non-ISO CAN FD

Кадры по спецификации Bosch 1.0 и по ISO 11898-1:2015 несовместимы: у них разное поле CRC и разное начальное значение CRC, и узел одной версии считает кадры другой ошибочными. CiA рекомендует называть их ISO CAN FD и non-ISO CAN FD и не смешивать в одной сети. Контроллеры MCP2518FD и M_CAN умеют обе версии: у MCP2518FD выбор делает бит ISOCRCEN регистра CiCON (после сброса — ISO), у IP-блока Bosch M_CAN — бит NISO регистра CCCR. При настройке нового узла этот бит стоит проверить первым.

Совместимость с классическими узлами

Каждый узел CAN FD умеет принимать и передавать классические кадры, поэтому может работать в старой сети. Обратное неверно: классический контроллер кадр CAN FD не разберёт и ответит на него кадром ошибки. Поэтому кадры CAN FD допустимы только в сети, где все узлы их понимают или где классические узлы на это время выключены из обмена. Спецификация Bosch предлагает именно такой путь перехода: например, использовать CAN FD только для прошивки блоков на конвейере, держа остальные контроллеры в дежурном режиме.

Длина кадра и пропускная способность

Длина кадра ISO CAN FD в базовом формате без динамических вставленных битов (наш расчёт по длинам полей из руководства Microchip): на номинальной скорости — 17 бит до BRS включительно и 9 бит ACK и EOF, на скорости данных — ESI и DLC (5 бит), $8N$ бит данных и 28 или 33 бита поля CRC. Расширенный формат добавляет к номинальной части 19 бит. Динамические вставленные биты в полях до CRC удлиняют кадр не больше чем на четверть.

где 3 бита — межкадровый интервал на номинальной скорости, $L_\text{CRC}$ — 28 или 33 бита. Период непрерывно идущих кадров и полезная скорость:

Классический CAN на 500 кбит/с переносит 8 байт за 222 мкс — около 288 кбит/с полезных данных без учёта вставленных битов. CAN FD с той же номинальной скоростью и 2 Мбит/с в фазе данных переносит 64 байта за 333 мкс — около 1,5 Мбит/с, впятеро больше. Без переключения скорости (BRS доминантный) выигрыш даёт только длинное поле данных: заголовок и CRC приходятся на большее число байтов.

Компенсация задержки передатчика

Передатчик CAN сравнивает каждый переданный бит с тем, что видит на шине, и при расхождении фиксирует ошибку бита. Свой бит он видит на выводе RX только через задержку петли трансивера — до 255 нс у трансиверов прежнего поколения и до 120 нс у MCP2542FD. На 8 Мбит/с бит длится 125 нс, и задержка становится сравнимой с ним: в обычной точке выборки на RX ещё предыдущий бит.

Поэтому в фазе данных передатчик проверяет свои биты во вторичной точке выборки (SSP). Задержку он измеряет в каждом кадре на фронте FDF → res, а положение SSP — это задержка плюс смещение, в руководстве Microchip $\mathrm{SSP} = \mathrm{TDCV} + \mathrm{TDCO}$. SSP может оказаться уже за концом переданного бита; на ошибку, найденную в SSP, передатчик реагирует в следующей обычной точке выборки. Приёмники и номинальная фаза компенсацию не используют.

• MCP2518FD: режим задаёт поле TDCMOD регистра CiTDC — автоматический (измерить задержку и прибавить TDCO), ручной или выключен; Microchip советует включать автоматический режим при скорости данных от 1 Мбит/с. В примере 500 кбит/с / 2 Мбит/с TDCO = 15 квантов ставит SSP на 80 % бита.
• M_CAN: задержку измеряет всегда; сумма задержки и смещения должна быть меньше 6 бит фазы данных и не больше 127 квантов.

Трансиверы для CAN FD

Физический уровень CAN FD — тот же ISO 11898-2, но к трансиверу предъявляются новые требования: малая задержка петли и её симметрия. Задержка петли несимметрична, а передатчик CAN не двухтактный, поэтому рецессивные биты на RXD укорачиваются, и на высокой скорости укороченного бита может не хватить для правильной выборки. Поэтому для трансиверов CAN FD нормируют длительность бита на RXD и на шине. Пример — MCP2542FD при нагрузке 60 Ом и 100 пФ:

Значения для 2 и 5 Мбит/с соответствуют ISO 11898-2:2016, а для 8 Мбит/с даны в даташите как характеризованные, вне норм стандарта. Задержка от TXD до RXD у MCP2542FD и MCP2561/2FD — до 120 нс. Даташит MCP2561/2FD предупреждает: при скоростях выше 1 Мбит/с может понадобиться синфазный дроссель.

Контроллеры CAN FD

Классические контроллеры — MCP2515, bxCAN в STM32F1 и F4 — кадры CAN FD не понимают; их разбор — в статье о CAN. Для CAN FD нужен контроллер новой версии:

• MCP2518FD — внешний контроллер с интерфейсом SPI: до 1 Мбит/с в фазе арбитража и до 8 Мбит/с в фазе данных, ISO 11898-1:2015, прошёл тесты на соответствие по ISO 16845-1:2016. Поддерживает и non-ISO CAN FD.
• M_CAN — IP-блок контроллера Bosch для встраивания в микросхемы; поддерживает ISO и Bosch 1.0 (бит NISO) и автоматическую компенсацию задержки.

Типичные ошибки

• Разные версии протокола. Узлы ISO и non-ISO CAN FD видят кадры друг друга как ошибочные. Проверьте ISOCRCEN, NISO или аналогичный бит во всех узлах.
• Классический узел в сети. Первый же кадр CAN FD вызывает кадры ошибки от классических контроллеров.
• Выключена компенсация задержки. Когда задержка петли дольше времени до точки выборки — на скоростях в несколько мегабит в секунду — передатчик без TDC фиксирует ошибки бита на собственных кадрах. Microchip советует включать автоматическую компенсацию уже с 1 Мбит/с.
• Разные точки выборки фазы данных. Смешанные биты BRS и разделителя CRC получаются разной длины в разных узлах.
• Скорость данных не по трансиверу и линии. Длительность бита на RXD при данной скорости нормирована у конкретного трансивера; отводы и неоднородности линии на высоких скоростях мешают сильнее, чем в фазе арбитража.