淺談CAN FD總線協(xié)議幀格式

假期更新了一文搞懂CAN總線協(xié)議幀格式，CAN FD總線協(xié)議怎能錯(cuò)過？本篇博文將講解CAN FD總線協(xié)議幀格式。

1為什么會(huì)出現(xiàn)CAN FD？

隨著總線技術(shù)在汽車電子領(lǐng)域越來越廣泛和深入的應(yīng)用，特別是自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車電子對(duì)總線寬度和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來也高，傳統(tǒng)CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已難以滿足日益增加的需求。

因此在2012年，Bosch發(fā)布了新的CAN FD標(biāo)準(zhǔn) (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD繼承了CAN的絕大多數(shù)特性，如同樣的物理層，雙線串行通信協(xié)議，基于非破壞性仲裁技術(shù)，分布式實(shí)時(shí)控制，可靠的錯(cuò)誤處理和檢測(cè)機(jī)制等，同時(shí)CAN FD彌補(bǔ)了CAN在總線帶寬和數(shù)據(jù)長方面的不足。

2015年6月30日，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已經(jīng)正式認(rèn)可CAN?FD，并無反對(duì)票通過ISO 11898-1作為國際標(biāo)準(zhǔn)草案。

2什么是CAN FD？

CAN FD協(xié)議是由Bosch以及行業(yè)專家預(yù)研開發(fā)的，并于2012年發(fā)布。通過標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)已納入ISO 11898-1:2015。一開始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

1、增加了數(shù)據(jù)的長度

CAN FD每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多支持64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，而傳統(tǒng)CAN最多支持8個(gè)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。

2、增加傳輸?shù)乃俣?/p>

CAN FD支持雙比特率：與傳統(tǒng)CAN一樣，標(biāo)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(luò)拓?fù)?收發(fā)器。實(shí)際上，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率。

3、更好的可靠性

CAN FD使用改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和“受保護(hù)的填充位計(jì)數(shù)器”，從而降低了未被檢測(cè)到的錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。這在汽車和工業(yè)自動(dòng)化等安全攸關(guān)的應(yīng)用中至關(guān)重要。

4、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(diǎn)，從而為OEM簡化程序和降低成本。

實(shí)際上，與傳統(tǒng)CAN相比，CAN FD可以將網(wǎng)絡(luò)帶寬提高3到8倍，從而為數(shù)據(jù)的增長提供了一種簡單的解決方案。

3CAN FD和CAN總線協(xié)議幀異同

CAN FD和CAN總線協(xié)議幀格式如下所示：

CAN FD和CAN總線協(xié)議幀不同點(diǎn)如下所示：

1、傳輸速率不同

CAN FD的速率可變，從控制場中的BRS位到ACK場之前（含CRC分界符）為可變速率，最高速率可達(dá)到8Mbps，其他部分與CAN相同。

2、數(shù)據(jù)長度不同

CAN FD支持的最大數(shù)據(jù)長度為64byte，CAN支持的最大數(shù)據(jù)長度為8byte。

3、幀格式不同

CAN FD新增了FDF、BRS、ESI位：

FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數(shù)據(jù)幀中的保留位 r。表示 CAN 報(bào)文還是 CAN-FD 報(bào)文，F(xiàn)DF 位常為隱性（1），表示 CAN FD 報(bào)文；

BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉(zhuǎn)換，當(dāng) BRS 為顯性位（0）時(shí)數(shù)據(jù)段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當(dāng) BRS 為隱性位（1）時(shí)速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉(zhuǎn)換速率傳輸）；

ESI 位（Error State Indicator）：發(fā)送節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)指示，主動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送顯性位（0），被動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送隱性位（1）。

4、ID長度不同

CAN FD標(biāo)準(zhǔn)幀ID長度可擴(kuò)展至12bit，CAN的標(biāo)準(zhǔn)幀ID為11bit。

4解析CAN FD幀結(jié)構(gòu)

CAN FD節(jié)點(diǎn)可以正常收、發(fā)CAN報(bào)文，但CAN節(jié)點(diǎn)不能正確收、發(fā)CAN FD報(bào)文，因?yàn)槠鋷袷讲灰恢隆?/p>

與CAN一樣，CAN FD一共具有：幀起始，仲裁段，控制段，數(shù)據(jù)段，CRC段，ACK段和幀結(jié)束，7部分組成。

4.1、幀起始

CAN與CANFD使用相同的SOF標(biāo)志位來標(biāo)志報(bào)文的起始。幀起始由1個(gè)顯性位構(gòu)成，標(biāo)志著報(bào)文的開始，并在總線上起著同步作用。

4.2、仲裁段

與CAN不同，CAN FD取消了對(duì)遠(yuǎn)程幀的支持，用RRS位替換了RTR位，為常顯性。IDE用于區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。

4.3、控制段

CAN FD與CAN有著相同的IDE、res和DLC位，同時(shí)增加了FDF、BRS、ESI三個(gè)bit位。

4.4、數(shù)據(jù)段?

CAN FD兼容CAN的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)最大還能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在傳統(tǒng)CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個(gè)值來表示所使用的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（12、16、20、24、32、48、64）。?

4.5、CRC段

傳統(tǒng)CAN中的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）為15位，而在CAN FD中為17位（最多16個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）或21位（20-64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）。在傳統(tǒng)CAN中，CRC中可以包含0到3個(gè)填充位，而在CAN FD中，總是有四個(gè)固定填充位以提高通信可靠性。

4.6、ACK段

ACK緊跟著CRC結(jié)束標(biāo)識(shí)位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的識(shí)別。

4.7、幀結(jié)束
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與CAN一樣，CAN FD的幀結(jié)尾也為連續(xù)7位的隱性位。

5CAN FD的改進(jìn)

CAN FD采用了兩種方式來提高通信的效率：一種方式為縮短位時(shí)間提高位速率；另一種方式為加長數(shù)據(jù)場長度減少報(bào)文數(shù)量降低總線負(fù)載率。

CAN FD在 CRC 校驗(yàn)段采用了三種多項(xiàng)式來保證高速通訊下的數(shù)據(jù)可靠性。
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1、縮短位時(shí)間提高位速率

CAN FD支持雙比特率，與傳統(tǒng)CAN一樣，標(biāo)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(luò)拓?fù)?收發(fā)器。實(shí)際上，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率。

從控制段中的 BRS 位到 ACK 段之前（含 CRC 分界符）為可變速率，其余部分為原 CAN 總線用的速率。兩種速率各有一套位時(shí)間定義寄存器，它們除了采用不同的位時(shí)間單位 TQ 外，位時(shí)間各段的分配比例也可不同。

2、加長數(shù)據(jù)段長度減少報(bào)文數(shù)量降低總線負(fù)載率

CAN FD每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多支持64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，而傳統(tǒng)CAN最多支持8個(gè)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。

DLC 最大支持 64 個(gè)字節(jié)，在 DLC 小于等于 8 時(shí)與原 CAN 總線是一樣的，大于 8 時(shí)則有一個(gè)非線性的增長，最大的數(shù)據(jù)場長度可達(dá) 64 字節(jié)。如下所示為 DLC 數(shù)值與字節(jié)數(shù)的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3、CRC校驗(yàn)段

CAN FD使用改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和“受保護(hù)的填充位計(jì)數(shù)器”，由于 DLCs 的長度不同，在 DLC 大于 8 個(gè)字節(jié)時(shí)，CAN FD選擇了兩種新的 BCH 型 CRC 多項(xiàng)式，從而降低了未被檢測(cè)到的錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

6如何從傳統(tǒng)的CAN升級(jí)到CAN FD

盡管 CANFD 繼承了絕大部分傳統(tǒng) CAN 的特性，但是從傳統(tǒng) CAN 到 CANFD 的升級(jí)，我們?nèi)孕枰龊芏嗟墓ぷ鳌?/p>

1、在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要選取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收發(fā)器，還要選取新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和監(jiān)測(cè)工具。

2、在網(wǎng)絡(luò)兼容性方面，對(duì)于傳統(tǒng) CAN 網(wǎng)段的部分節(jié)點(diǎn)需要升級(jí)到 CANFD 的情況要特別注意，由于幀格式不一致的原因，CANFD 節(jié)點(diǎn)可以正常收發(fā)傳統(tǒng) CAN 節(jié)點(diǎn)報(bào)文，但是傳統(tǒng) CAN 節(jié)點(diǎn)不能正常收發(fā) CANFD 節(jié)點(diǎn)的報(bào)文。

CAN FD 協(xié)議是 CAN-BUS 協(xié)議的最新升級(jí)，將 CAN 的每幀 8 字節(jié)數(shù)據(jù)提高到 64 字節(jié)，波特率從最高的 1Mbps 提高到 8-15Mbps，使得通訊效率提高 8 倍以上，大大提升了車輛的通訊效率。

此項(xiàng)技術(shù)一直被歐美企業(yè)壟斷，直至 2016 年，中國 CAN-BUS 領(lǐng)導(dǎo)者—廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司，基于擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 CAN FD IP 核代碼，研制出中國第一款 CAN FD 接口卡，使中國的總線技術(shù)水平與世界最高水平同步。

審核編輯：湯梓紅

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