CAN FD通(tong)信協議
時間(jian)：2024-09-24 來源：華清遠見
一、什么是CAN FD
CANFD（CAN Flexible Data-Rate）是CAN通(tong)信協(xie)議的一種變種，它(ta)支持(chi)高(gao)速數(shu)據(ju)傳(chuan)輸，同時保持(chi)低成本、簡單的特性。CANFD使用高(gao)速位速率傳(chuan)輸數(shu)據(ju)，允許(xu)更高(gao)的數(shu)據(ju)吞吐(tu)量，并(bing)且通(tong)常與現(xian)有的CAN硬(ying)件兼容。
在CANFD網(wang)絡中，節點可以(yi)以(yi)不同的位(wei)速(su)率（Flexible Data-Rate, FDR）同時發送數據。FDR可以(yi)是5Kbps到(dao)1Mbps之間的任何(he)值，并(bing)且可以(yi)在通(tong)信過(guo)程中動態改變(bian)。
在《 通信總(zong)線(xian)(xian)協(xie)議(yi)之CAN總(zong)線(xian)(xian)協(xie)議(yi)詳(xiang)解(jie) 》中介紹了CAN 2.0 A/B總(zong)線(xian)(xian)協(xie)議(yi)，但是隨著總(zong)線(xian)(xian)技術在汽(qi)車(che)電子領域越(yue)(yue)來越(yue)(yue)廣(guang)泛(fan)的(de)應用，特別是自動(dong)駕(jia)駛技術的(de)迅速(su)發展，汽(qi)車(che)電子對(dui)總(zong)線(xian)(xian)寬(kuan)度和數據(ju)傳輸速(su)率的(de)要求(qiu)也越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高(gao)，傳統(tong)CAN（1MBit/s，8Bytes Payload）已(yi)難以(yi)滿(man)足日益(yi)增加的(de)需求(qiu)。
因此(ci)，一種能夠與CAN 2.0 A/B兼容，但通信速(su)率更高(gao)，有效載荷更高(gao)的CAN總(zong)(zong)線 ：CAN-FD總(zong)(zong)線協議(yi)應運而(er)生，在2012年，Bosch發布了新的CAN FD標準 (CAN with Flexible Data Rate)
CAN FD繼承了CAN的絕大(da)多數特性(xing)，如同(tong)樣(yang)的物理層(ceng)，雙(shuang)線串行通信協(xie)議，基于非破壞性(xing)仲裁技術，分(fen)布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機(ji)制等(deng)，同(tong)時CAN FD彌補(bu)了CAN在總線帶寬和數據(ju)長(chang)度方面的不足。
二、 CAN FD的特點
CAN FD傳輸速率是可(ke)變的(de)：從控制場(chang)中(zhong)的(de)BRS位到ACK場(chang)之前(qian)（含CRC分(fen)界符）為可(ke)變速率，最(zui)高速率可(ke)達到8Mbps
CAN FD數(shu)據(ju)長度不同：CAN FD每(mei)個(ge)數(shu)據(ju)幀最多(duo)支持64個(ge)數(shu)據(ju)字節，而傳(chuan)統(tong)CAN最多(duo)支持8個(ge)數(shu)據(ju)字節，這減少(shao)了協議開(kai)銷(xiao)，并提高了協議效(xiao)率(lv)。
CAN FD幀格(ge)式(shi)不(bu)同(tong)：CanFD新增了FDF、BRS、ESI位
FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r，用來區別是 CAN 報文還是 CAN-FD 報文，FDF 位常(chang)為隱性 1，表示(shi) CAN FD 報文；
BRS 位(wei)（ Bit Rate Switch）：表示位(wei)速(su)(su)率(lv)(lv)轉(zhuan)換(huan)，當 BRS 為顯性位(wei) 0時(shi)，數據段的(de)位(wei)速(su)(su)率(lv)(lv)與仲裁(cai)段的(de)位(wei)速(su)(su)率(lv)(lv)一致（恒定速(su)(su)率(lv)(lv)），當 BRS 為隱性位(wei) 1時(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)可(ke)變(bian)（即(ji) BSR 到 CRC 使用(yong)轉(zhuan)換(huan)速(su)(su)率(lv)(lv)傳輸）；
ESI 位（Error State Indicator）：發送(song)節點錯(cuo)誤狀態指示，主動錯(cuo)誤時發送(song)顯(xian)性(xing)位 0 ，被動錯(cuo)誤時發送(song)隱性(xing)位 1 。
三. CAN-FD總線協議
1、CAN FD節(jie)點(dian)可以正常收、發CAN報文，但CAN節(jie)點(dian)不(bu)能正確收、發CAN FD報文，因為其幀格(ge)式不(bu)一(yi)致。
與CAN一(yi)樣，CAN FD一(yi)共具(ju)有：幀(zhen)起始，仲裁段(duan)，控(kong)制段(duan)，數(shu)據段(duan)，CRC段(duan)，ACK段(duan)和(he)幀(zhen)結束，7部分組成。
2、 幀起始
CAN FD與CAN使(shi)用相同的SOF標志位(wei)來標志報文的起始幀起始由1個顯性位(wei)構成，標志著報文的開(kai)始，并在總線上起著同步(bu)的作(zuo)用。
3、 仲裁段
與傳統CAN相比，CAN FD取消了遠程(cheng)幀，用RRS位(wei)替換了RTR位(wei)，為常顯性(xing)；
RTR(Remote Transmission Request Bit)：遠程(cheng)發送(song)請求位，RTR位在數據幀里必須是顯性(xing)，而在遠程(cheng)幀里為隱性(xing)
RRS(Remote Request Substitution)：遠(yuan)程請求替換位(wei)，即(ji)傳統CAN中的RTR位(wei)，CAN FD中為常顯性
IDE位仍為標準幀(zhen)(zhen)(zhen)和擴展幀(zhen)(zhen)(zhen)標志位，若標準幀(zhen)(zhen)(zhen)與擴展幀(zhen)(zhen)(zhen)具有相(xiang)同的前 11 位 ID，那(nei)么標準幀(zhen)(zhen)(zhen)將(jiang)會由于 IDE 位為 0，優先(xian)獲得總線；
4、 控制段
控制(zhi)段中CANFD與CAN有著相同(tong)的IDE，res，DLC位；同(tong)時(shi)增加(jia)了三個(ge)控制(zhi)bit位，FDF、BRS、ESI；
FDF(Flexible Data Rate Format)：原CAN數(shu)據幀中的保留位(wei)r，FDF常為隱(yin)性，表示CAN FD 報文；
BRS(Bit Rate Switch)：位速(su)率(lv)(lv)轉換開(kai)關，當(dang)BRS為顯性位時數(shu)據段的(de)(de)位速(su)率(lv)(lv)與仲(zhong)裁(cai)段的(de)(de)位速(su)率(lv)(lv)一致，當(dang)BRS為隱性位時數(shu)據段的(de)(de)位速(su)率(lv)(lv)高于仲(zhong)裁(cai)段的(de)(de)位速(su)率(lv)(lv)；
ESI(Error State Indicator)：錯誤(wu)(wu)(wu)狀態指示(shi)，主(zhu)動(dong)(dong)錯誤(wu)(wu)(wu)時(shi)(shi)發送(song)(song)顯性(xing)位，被動(dong)(dong)錯誤(wu)(wu)(wu)時(shi)(shi)發送(song)(song)隱性(xing)位；
DLC同(tong)樣是(shi)4bit表示數據段的長度，對應的關(guan)系如下：
5、 數據段
數據(ju)段即為傳輸的(de)具體(ti)數據(ju)內容
CAN FD不僅能(neng)支(zhi)(zhi)持(chi)傳(chuan)統(tong)的0-8字節(jie)(jie)報文，同(tong)時可以支(zhi)(zhi)持(chi)12, 16, 20, 24, 32, 48, 64字節(jie)(jie)
6、 CRC段
為(wei)了(le)(le)避免位(wei)(wei)(wei)填(tian)(tian)充(chong)對CRC的影響(xiang)，CAN FD在CRC場中增加(jia)了(le)(le)stuff count記錄填(tian)(tian)充(chong)位(wei)(wei)(wei)的個數對應8的模，并用格雷碼表示，還增加(jia)了(le)(le)奇偶校驗位(wei)(wei)(wei)；且在CRC中加(jia)入了(le)(le)填(tian)(tian)充(chong)位(wei)(wei)(wei)FSB（fixed stuff-bit)
Stuff Count由以下兩(liang)個(ge)元(yuan)素組成：
格雷(lei)碼計算(suan)：CRC區域之前的(de)(de)填充位數除以8，得(de)到的(de)(de)余數（Stuff bit count modulo 8）進(jin)行格雷(lei)碼計算(suan)得(de)到的(de)(de)值(zhi)（Bit 0-2）
奇(qi)偶校驗(parity)：通過(guo)格雷(lei)碼計(ji)算后的值的奇(qi)偶校驗（偶校驗）
CAN FD對CRC算(suan)法進行了改進，CRC對填充(chong)(chong)位(wei)也加(jia)入了計算(suan)；在校驗部分為避免(mian)有連續位(wei)超過6個(ge)(ge)(ge)，就確定在第一(yi)(yi)位(wei)以(yi)及以(yi)后每4位(wei)添加(jia)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)填充(chong)(chong)位(wei)加(jia)以(yi)分割，這個(ge)(ge)(ge)填充(chong)(chong)位(wei)的值是上一(yi)(yi)位(wei)的反碼(ma)，作為格式檢查，如果(guo)填充(chong)(chong)位(wei)不是上一(yi)(yi)位(wei)的反碼(ma)，就作出錯處理。
CAN的CRC的位數是15位，而(er)在CAN FD中，CRC場(chang)擴(kuo)展到(dao)了21位，如下：
當傳(chuan)輸數據為0~8字節時：CRC 15位
當傳(chuan)輸(shu)數(shu)據為9~16字節(jie)時：CRC 17位
當傳輸數據為17~64個(ge)字節時：CRC 21位
7、 ACK段
與(yu)CAN相(xiang)比，在CAN FD中最多可接受2個(ge)位時間有效的ACK，允許1個(ge)額(e)外的位時間來補償收發器相(xiang)移和傳播延遲
由從高(gao)速(su)的數據(ju)場(chang)到(dao)慢速(su)的仲裁場(chang)時，時鐘(zhong)切換會引(yin)起收(shou)發器相(xiang)移(yi)和(he)總線傳(chuan)播延(yan)遲；為(wei)了(le)補償其相(xiang)移(yi)和(he)延(yan)遲，相(xiang)比傳(chuan)統的CAN，在CAN FD中多(duo)加(jia)了(le)這額(e)外的1位時間(jian)
在ACK之后，發送ACK界定符，這是一個(ge)表示ACK結束的(de)分隔符，用1位(wei)隱性位(wei)表示
8、 幀結束
與CAN一(yi)樣(yang)，CAN FD的幀結(jie)尾也為連續7位的隱性位
四. 如何從傳統的CAN升級到CAN FD
盡管 CANFD 繼承了絕大部分(fen)傳統 CAN 的(de)特性，但是從(cong)傳統 CAN 到 CANFD 的(de)升級， 仍需要做很(hen)多的(de)工(gong)作，主(zhu)要包括:
在硬(ying)件和工具方(fang)面，要(yao)使用 CANFD，首先(xian)要(yao)選取支持 CANFD 的(de) CAN 控制器(qi)和收發(fa)器(qi)，還要(yao)選取新的(de)網(wang)絡調試和監測工具;
在網(wang)絡兼容性方面，對(dui)于(yu)傳統(tong) CAN 網(wang)段(duan)的部分節(jie)點(dian)(dian)需要(yao)升級到 CANFD 的情況要(yao)特別注(zhu)意，由于(yu)幀格式不(bu)一(yi)致的原因(yin)，CANFD 節(jie)點(dian)(dian)可以(yi)正常(chang)收發(fa)傳統(tong) CAN 節(jie)點(dian)(dian)報(bao)文，但是傳統(tong) CAN 節(jie)點(dian)(dian)不(bu)能正常(chang)收發(fa) CANFD 節(jie)點(dian)(dian)的報(bao)文；
五、CANFD與CAN的主要區別
六、CANFD的應用優勢
更高(gao)的數據傳(chuan)輸(shu)速率：滿足現代(dai)汽車電子系統對(dui)高(gao)速數據傳(chuan)輸(shu)的需(xu)求。
更大的(de)數據(ju)負(fu)載能力：支持單(dan)個數據(ju)幀內傳輸更多數據(ju)，減(jian)少數據(ju)分拆(chai)傳輸的(de)需求。
保(bao)持(chi)實(shi)時性(xing)和可(ke)靠性(xing)：繼(ji)承了CAN協議的實(shi)時性(xing)和可(ke)靠性(xing)優(you)勢。
七、未來發展趨勢
隨著(zhu)汽車(che)電(dian)子系(xi)統(tong)的(de)不斷(duan)發展，CANFD協(xie)議(yi)將在未來繼續發揮(hui)重要(yao)作用。同(tong)時，隨著(zhu)技術的(de)不斷(duan)進步，可能還(huan)會出(chu)現更加先進的(de)通(tong)信協(xie)議(yi)來滿足更高的(de)數據傳輸需求。然而，CANFD協(xie)議(yi)作為當前汽車(che)電(dian)子系(xi)統(tong)中廣泛應用的(de)通(tong)信協(xie)議(yi)之一，其(qi)地(di)位在短期內難(nan)以被替代(dai)。
