CAN和CANFD協(xié)議簡介（上）
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1. 概述
CAN（Controller Area Network）和CANFD（Controller Area Network Flexible Data-rate）是一種常用于汽車和工業(yè)領域的通信協(xié)議。
CAN協(xié)議最初是由德國的博世公司（Bosch）在20世紀80年代開發(fā)的，旨在解決汽車電子設備之間的通信需求。它是一種高效可靠的串行通信協(xié)議，可支持在短距離上的高速數(shù)據(jù)傳輸。CAN協(xié)議以事件觸發(fā)的方式進行通信，允許多個設備同時參與通信，并通過優(yōu)先級機制確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。Classic CAN，傳統(tǒng)CAN，有時也稱為經(jīng)典CAN或普通CAN。
CAN協(xié)議的特點包括
雙線制：CAN總線由CAN_H和CAN_L兩根傳輸線組成，用差分信號傳輸數(shù)據(jù)，以提高抗干擾性能。
沖突檢測與沖突解決：多個設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，CAN協(xié)議能夠檢測到?jīng)_突并通過優(yōu)先級機制解決。
幀格式簡單：CAN消息由ID、數(shù)據(jù)、控制位和CRC校驗組成，具有較小的開銷和較高的數(shù)據(jù)傳輸效率。
容錯能力強：CAN協(xié)議使用位級錯誤檢測和錯誤恢復機制，能夠實現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。
隨著汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)通信需求的增加，CANFD協(xié)議應運而生。CANFD在保持CAN協(xié)議基本特性的同時，增加了一些新的特性，主要是在數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度上的增強。相對于傳統(tǒng)的CAN協(xié)議，CANFD支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（最高可達到8Mbps）和更大的數(shù)據(jù)長度（最多可傳輸64字節(jié)的數(shù)據(jù)）。這使得CANFD能夠滿足對數(shù)據(jù)帶寬要求更高的應用場景，如高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛領域。
CAN FD協(xié)議是由Bosch以及行業(yè)專家預研開發(fā)的，并于2012年發(fā)布。通過標準化對其進行了改進，現(xiàn)已納入ISO 11898-1:2015。原始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。CAN FD具有四個主要優(yōu)點：
增加了數(shù)據(jù)的長度：CAN FD每個數(shù)據(jù)幀最多支持64個數(shù)據(jù)字節(jié)，而傳統(tǒng)CAN最多支持8個數(shù)據(jù)字節(jié)。這減少了協(xié)議開銷，并提高了協(xié)議效率。
增加傳輸?shù)乃俣龋?/strong>CAN FD支持雙比特率；與傳統(tǒng)CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數(shù)據(jù)比特率則取決于網(wǎng)絡拓撲/收發(fā)器。實際上，可以實現(xiàn)高達5 Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率(實際應用中可以達到8 Mbit/s，但沒有標準)。
更好的可靠性：CAN FD使用改進的循環(huán)冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數(shù)器”，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。這在汽車和工業(yè)自動化等安全攸關的應用中至關重要。
平滑過渡：在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統(tǒng)CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節(jié)點，從而為OEM簡化程序和降低成本。
與傳統(tǒng)CAN相比，CAN FD可以將網(wǎng)絡帶寬提高3到8倍，效率可從50%提升到90%，從而為數(shù)據(jù)的增長提供了一種簡單的解決方案。
2. CAN協(xié)議
2.1 物理層
與I2C、SPI等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有CAN_High和CAN_Low兩條信號線， 共同構成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。
CAN物理層的形式主要有兩種：閉環(huán)總線網(wǎng)絡和開環(huán)總線網(wǎng)絡。
2.1.1 閉環(huán)總線網(wǎng)絡
如下所示的圖中的CAN通訊網(wǎng)絡是一種遵循ISO11898標準的高速、 短距離“閉環(huán)網(wǎng)絡”，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120歐”的電阻。
2.1.2 開環(huán)總線網(wǎng)絡
如下所示的圖中的是遵循ISO11519-2標準的低速、遠距離“開環(huán)網(wǎng)絡”，它的最大傳輸距離為1km， 最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個“2.2千歐”的電阻。
2.1.3 ISO11898（閉環(huán)總線網(wǎng)絡）和11519-2 （開環(huán)總線網(wǎng)絡）協(xié)議的不同點
ISO11898 和 ISO11519-2 標準對于數(shù)據(jù)鏈路層的定義相同，但物理層不同。
ISO11898是通信速度為125kbps-1Mbps的CAN高速通信標準。
ISO11519是通信速度為125kbps以下的CAN低速通信標準。
下圖描述了ISO11898和11519-2物理層的主要不同點。
用戶需根據(jù)系統(tǒng)需要設定通信速度及總線長度。
2.1.4 CAN協(xié)議中的差分信號
差分信號又稱差模信號，與傳統(tǒng)使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等， 相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯0和邏輯1。
CAN協(xié)議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規(guī)定， CAN協(xié)議標準表示的信號邏輯參見下表。
以高速CAN協(xié)議為例，當表示邏輯1時(隱性電平)，CAN_High和CAN_Low線上的電壓均為2.5v， 即它們的電壓差VH-VL=0V；而表示邏輯0時(顯性電平)， CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為1.5V， 即它們的電壓差為VH-VL=2V。例如，當CAN收發(fā)器從CAN_Tx線接收到來自CAN控制器的低電平信號時(邏輯0)， 它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0。
在CAN總線中，必須使它處于隱性電平（邏輯1）或顯性電平（邏輯0）中的其中一個狀態(tài)。假如有兩個CAN通訊節(jié)點，在同一時間，一個輸出隱性電平， 另一個輸出顯性電平，類似I2C總線的“線與”特性將使它處于顯性電平狀態(tài)，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優(yōu)先的意味。
由于CAN總線協(xié)議的物理層只有1對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節(jié)點來說，CAN通訊是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)需要分時進行。在CAN的通訊網(wǎng)絡中，因為共用總線，在整個網(wǎng)絡中同一時刻只能有一個通訊節(jié)點發(fā)送信號，其余的節(jié)點在該時刻都只能接收。
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