通信总线之CAN-FD总线协议详解

1. CAN-FD 简介

1.1 什么是CAN FD

• 在《 通信总线协议之CAN总线协议详解 》中介绍了CAN 2.0 A/B总线协议，但是随着总线技术在汽车电子领域越来越广泛的应用，特别是自动驾驶技术的迅速发展，汽车电子对总线宽度和数据传输速率的要求也越来越高，传统CAN（1MBit/s，8Bytes Payload）已难以满足日益增加的需求。
• 因此，一种能够与CAN 2.0 A/B兼容，但通信速率更高，有效载荷更高的CAN总线 ：CAN-FD总线协议应运而生，在2012年，Bosch发布了新的CAN FD标准 (CAN with Flexible Data Rate)
• CAN FD继承了CAN的绝大多数特性，如同样的物理层，双线串行通信协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制等，同时CAN FD弥补了CAN在总线带宽和数据长度方面的不足。

1.2 CAN FD的特点

• CAN FD传输速率是可变的：从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，最高速率可达到8Mbps
• CAN FD数据长度不同：CAN FD每个数据帧最多支持64个数据字节，而传统CAN最多支持8个数据字节，这减少了协议开销，并提高了协议效率。
• CAN FD帧格式不同：CanFD新增了FDF、BRS、ESI位
  • FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 数据帧中的保留位 r，用来区别是 CAN 报文还是 CAN-FD 报文，FDF 位常为隐性 1，表示 CAN FD 报文；
  • BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率转换，当 BRS 为显性位 0时，数据段的位速率与仲裁段的位速率一致（恒定速率），当 BRS 为隐性位 1时速率可变（即 BSR 到 CRC 使用转换速率传输）；
  • ESI 位（Error State Indicator）：发送节点错误状态指示，主动错误时发送显性位 0 ，被动错误时发送隐性位 1 。

2. CAN-FD总线协议

• CAN FD节点可以正常收、发CAN报文，但CAN节点不能正确收、发CAN FD报文，因为其帧格式不一致。
• 与CAN一样，CAN FD一共具有：帧起始，仲裁段，控制段，数据段，CRC段，ACK段和帧结束，7部分组成。

2.1 帧起始

• CAN FD与CAN使用相同的SOF标志位来标志报文的起始
• 帧起始由1个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步的作用
  

2.2 仲裁段

• 与传统CAN相比，CAN FD取消了远程帧，用RRS位替换了RTR位，为常显性；
  • RTR(Remote Transmission Request Bit)：远程发送请求位，RTR位在数据帧里必须是显性，而在远程帧里为隐性
  • RRS(Remote Request Substitution)：远程请求替换位，即传统CAN中的RTR位，CAN FD中为常显性
• IDE位仍为标准帧和扩展帧标志位，若标准帧与扩展帧具有相同的前 11 位 ID，那么标准帧将会由于 IDE 位为 0，优先获得总线；
  

2.3 控制段

• 控制段中CANFD与CAN有着相同的IDE，res，DLC位；同时增加了三个控制bit位，FDF、BRS、ESI；
• FDF(Flexible Data Rate Format)：原CAN数据帧中的保留位r，FDF常为隐性，表示CAN FD 报文；
• BRS(Bit Rate Switch)：位速率转换开关，当BRS为显性位时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致，当BRS为隐性位时数据段的位速率高于仲裁段的位速率；
• ESI(Error State Indicator)：错误状态指示，主动错误时发送显性位，被动错误时发送隐性位；
  
• DLC同样是4bit表示数据段的长度，对应的关系如下：
  

2.4 数据段

• 数据段即为传输的具体数据内容
• CAN FD不仅能支持传统的0-8字节报文，同时可以支持12, 16, 20, 24, 32, 48, 64字节

2.5 CRC段

• 为了避免位填充对CRC的影响，CAN FD在CRC场中增加了stuff count记录填充位的个数对应8的模，并用格雷码表示，还增加了奇偶校验位；且在CRC中加入了填充位FSB（fixed stuff-bit)

• Stuff Count由以下两个元素组成：

  1. 格雷码计算：CRC区域之前的填充位数除以8，得到的余数（Stuff bit count modulo 8）进行格雷码计算得到的值（Bit 0-2）
  2. 奇偶校验(parity)：通过格雷码计算后的值的奇偶校验（偶校验）

• CAN FD对CRC算法进行了改进，CRC对填充位也加入了计算；在校验部分为避免有连续位超过6个，就确定在第一位以及以后每4位添加一个填充位加以分割，这个填充位的值是上一位的反码，作为格式检查，如果填充位不是上一位的反码，就作出错处理。

• CAN的CRC的位数是15位，而在CAN FD中，CRC场扩展到了21位，如下：

  • 当传输数据为0~8字节时：CRC 15位
  • 当传输数据为9~16字节时：CRC 17位
  • 当传输数据为17~64个字节时：CRC 21位
    

2.6 ACK段

• 与CAN相比，在CAN FD中最多可接受2个位时间有效的ACK，允许1个额外的位时间来补偿收发器相移和传播延迟
• 由从高速的数据场到慢速的仲裁场时，时钟切换会引起收发器相移和总线传播延迟；为了补偿其相移和延迟，相比传统的CAN，在CAN FD中多加了这额外的1位时间
• 在ACK之后，发送ACK界定符，这是一个表示ACK结束的分隔符，用1位隐性位表示
  

2.7 帧结束

• 与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位

3. 如何从传统的CAN升级到CAN FD

• 尽管 CANFD 继承了绝大部分传统 CAN 的特性，但是从传统 CAN 到 CANFD 的升级， 仍需要做很多的工作，主要包括:
  1. 在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要选取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收发器，还要选取新的网络调试和监测工具;
  2. 在网络兼容性方面，对于传统 CAN 网段的部分节点需要升级到 CANFD 的情况要特别注意，由于帧格式不一致的原因，CANFD 节点可以正常收发传统 CAN 节点报文，但是传统 CAN 节点不能正常收发 CANFD 节点的报文；

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