CAN FD通信協議
時間：2024-09-24 來源：華清遠見
一、什么是CAN FD
CANFD（CAN Flexible Data-Rate）是CAN通信協議的一種變種，它支持高速數據傳輸，同時保持低成本、簡單的特性。CANFD使用高速位速率傳輸數據，允許更高的數據吞吐量，并且通常與現有的CAN硬件兼容。
在CANFD網絡中，節點可以以不同的位速率（Flexible Data-Rate, FDR）同時發送數據。FDR可以是5Kbps到1Mbps之間的任何值，并且可以在通信過程中動態改變。
在《 通信總線協議之CAN總線協議詳解 》中介紹了CAN 2.0 A/B總線協議，但是隨著總線技術在汽車電子領域越來越廣泛的應用，特別是自動駕駛技術的迅速發展，汽車電子對總線寬度和數據傳輸速率的要求也越來越高，傳統CAN（1MBit/s，8Bytes Payload）已難以滿足日益增加的需求。
因此，一種能夠與CAN 2.0 A/B兼容，但通信速率更高，有效載荷更高的CAN總線 ：CAN-FD總線協議應運而生，在2012年，Bosch發布了新的CAN FD標準 (CAN with Flexible Data Rate)
CAN FD繼承了CAN的絕大多數特性，如同樣的物理層，雙線串行通信協議，基于非破壞性仲裁技術，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制等，同時CAN FD彌補了CAN在總線帶寬和數據長度方面的不足。
二、 CAN FD的特點
CAN FD傳輸速率是可變的：從控制場中的BRS位到ACK場之前（含CRC分界符）為可變速率，最高速率可達到8Mbps
CAN FD數據長度不同：CAN FD每個數據幀最多支持64個數據字節，而傳統CAN最多支持8個數據字節，這減少了協議開銷，并提高了協議效率。
CAN FD幀格式不同：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 位常為隱性 1，表示 CAN FD 報文；
BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉換，當 BRS 為顯性位 0時，數據段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當 BRS 為隱性位 1時速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉換速率傳輸）；
ESI 位（Error State Indicator）：發送節點錯誤狀態指示，主動錯誤時發送顯性位 0 ，被動錯誤時發送隱性位 1 。
三. CAN-FD總線協議
1、CAN FD節點可以正常收、發CAN報文，但CAN節點不能正確收、發CAN FD報文，因為其幀格式不一致。
與CAN一樣，CAN FD一共具有：幀起始，仲裁段，控制段，數據段，CRC段，ACK段和幀結束，7部分組成。
2、 幀起始
CAN FD與CAN使用相同的SOF標志位來標志報文的起始幀起始由1個顯性位構成，標志著報文的開始，并在總線上起著同步的作用。
3、 仲裁段
與傳統CAN相比，CAN FD取消了遠程幀，用RRS位替換了RTR位，為常顯性；
RTR(Remote Transmission Request Bit)：遠程發送請求位，RTR位在數據幀里必須是顯性，而在遠程幀里為隱性
RRS(Remote Request Substitution)：遠程請求替換位，即傳統CAN中的RTR位，CAN FD中為常顯性
IDE位仍為標準幀和擴展幀標志位，若標準幀與擴展幀具有相同的前 11 位 ID，那么標準幀將會由于 IDE 位為 0，優先獲得總線；
4、 控制段
控制段中CANFD與CAN有著相同的IDE，res，DLC位；同時增加了三個控制bit位，FDF、BRS、ESI；
FDF(Flexible Data Rate Format)：原CAN數據幀中的保留位r，FDF常為隱性，表示CAN FD 報文；
BRS(Bit Rate Switch)：位速率轉換開關，當BRS為顯性位時數據段的位速率與仲裁段的位速率一致，當BRS為隱性位時數據段的位速率高于仲裁段的位速率；
ESI(Error State Indicator)：錯誤狀態指示，主動錯誤時發送顯性位，被動錯誤時發送隱性位；
DLC同樣是4bit表示數據段的長度，對應的關系如下：
5、 數據段
數據段即為傳輸的具體數據內容
CAN FD不僅能支持傳統的0-8字節報文，同時可以支持12, 16, 20, 24, 32, 48, 64字節
6、 CRC段
為了避免位填充對CRC的影響，CAN FD在CRC場中增加了stuff count記錄填充位的個數對應8的模，并用格雷碼表示，還增加了奇偶校驗位；且在CRC中加入了填充位FSB（fixed stuff-bit)
Stuff Count由以下兩個元素組成：
格雷碼計算：CRC區域之前的填充位數除以8，得到的余數（Stuff bit count modulo 8）進行格雷碼計算得到的值（Bit 0-2）
奇偶校驗(parity)：通過格雷碼計算后的值的奇偶校驗（偶校驗）
CAN FD對CRC算法進行了改進，CRC對填充位也加入了計算；在校驗部分為避免有連續位超過6個，就確定在第一位以及以后每4位添加一個填充位加以分割，這個填充位的值是上一位的反碼，作為格式檢查，如果填充位不是上一位的反碼，就作出錯處理。
CAN的CRC的位數是15位，而在CAN FD中，CRC場擴展到了21位，如下：
當傳輸數據為0~8字節時：CRC 15位
當傳輸數據為9~16字節時：CRC 17位
當傳輸數據為17~64個字節時：CRC 21位
7、 ACK段
與CAN相比，在CAN FD中最多可接受2個位時間有效的ACK，允許1個額外的位時間來補償收發器相移和傳播延遲
由從高速的數據場到慢速的仲裁場時，時鐘切換會引起收發器相移和總線傳播延遲；為了補償其相移和延遲，相比傳統的CAN，在CAN FD中多加了這額外的1位時間
在ACK之后，發送ACK界定符，這是一個表示ACK結束的分隔符，用1位隱性位表示
8、 幀結束
與CAN一樣，CAN FD的幀結尾也為連續7位的隱性位
四. 如何從傳統的CAN升級到CAN FD
盡管 CANFD 繼承了絕大部分傳統 CAN 的特性，但是從傳統 CAN 到 CANFD 的升級， 仍需要做很多的工作，主要包括:
在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要選取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收發器，還要選取新的網絡調試和監測工具;
在網絡兼容性方面，對于傳統 CAN 網段的部分節點需要升級到 CANFD 的情況要特別注意，由于幀格式不一致的原因，CANFD 節點可以正常收發傳統 CAN 節點報文，但是傳統 CAN 節點不能正常收發 CANFD 節點的報文；
五、CANFD與CAN的主要區別
六、CANFD的應用優勢
更高的數據傳輸速率：滿足現代汽車電子系統對高速數據傳輸的需求。
更大的數據負載能力：支持單個數據幀內傳輸更多數據，減少數據分拆傳輸的需求。
保持實時性和可靠性：繼承了CAN協議的實時性和可靠性優勢。
七、未來發展趨勢
隨著汽車電子系統的不斷發展，CANFD協議將在未來繼續發揮重要作用。同時，隨著技術的不斷進步，可能還會出現更加先進的通信協議來滿足更高的數據傳輸需求。然而，CANFD協議作為當前汽車電子系統中廣泛應用的通信協議之一，其地位在短期內難以被替代。
