基于CANFD总线的车载Bootloader设计与实现

CANFD介绍

CANFD总线于2011年由博世公司首次提出，在2015年国际标准化组织（ISO）正式发布支持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最高可达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，最大数据长度为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持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下位机软件的控制器。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软件程序。Bootloader下位机软件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，该芯片支持6路CANFD，CANFD收发器选用NXP公司的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

• 软件实现
    ♦  Bootloader下位机软件
        Bootloader软件基于HIS协议开发。Bootloader软件架构采用分层模块，能够尽量降低模块之间耦合，提高开发效率和质量。
        Bootloader软件主要由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.Bootloader软件架构

 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上位机软件

图5.Bootloader上位机配置界面

上位主要功能为系统设置和软件升级两部分。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。软件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总线的软件刷新效率，分别基于CANFD总线和CAN总线的Bootloader软件进行了八组刷写实验。

图6.ECU软件刷新实验

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
        本文介绍了基于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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