淺談CAN FD總線協議幀格式

假期更新了一文搞懂CAN總線協議幀格式，CAN FD總線協議怎能錯過？本篇博文將講解CAN FD總線協議幀格式。

1為什么會出現CAN FD？

隨著總線技術在汽車電子領域越來越廣泛和深入的應用，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也高，傳統CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已難以滿足日益增加的需求。

因此在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方面的不足。

2015年6月30日，國際標準化組織（ISO）已經正式認可CAN?FD，并無反對票通過ISO 11898-1作為國際標準草案。

2什么是CAN FD？

CAN FD協議是由Bosch以及行業專家預研開發的，并于2012年發布。通過標準化對其進行了改進，現已納入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個主要優點：

1、增加了數據的長度

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。

2、增加傳輸的速度

CAN FD支持雙比特率：與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率。

3、更好的可靠性

CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。這在汽車和工業自動化等安全攸關的應用中至關重要。

4、平滑過渡

在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節點，從而為OEM簡化程序和降低成本。

實際上，與傳統CAN相比，CAN FD可以將網絡帶寬提高3到8倍，從而為數據的增長提供了一種簡單的解決方案。

3CAN FD和CAN總線協議幀異同

CAN FD和CAN總線協議幀格式如下所示：

CAN FD和CAN總線協議幀不同點如下所示：

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，最高速率可達到8Mbps，其他部分與CAN相同。

2、數據長度不同

CAN FD支持的最大數據長度為64byte，CAN支持的最大數據長度為8byte。

3、幀格式不同

CAN FD新增了FDF、BRS、ESI位：

FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r。表示 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）。

4、ID長度不同

CAN FD標準幀ID長度可擴展至12bit，CAN的標準幀ID為11bit。

4解析CAN FD幀結構

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。

4.1、幀起始

CAN與CANFD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作用。

4.2、仲裁段

與CAN不同，CAN FD取消了對遠程幀的支持，用RRS位替換了RTR位，為常顯性。IDE用于區分標準幀和擴展幀。

4.3、控制段

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

FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r。表示 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）。

4.4、數據段?

CAN FD兼容CAN的數據格式，同時最大還能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在傳統CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數據字節的數量。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個值來表示所使用的數據字節數（12、16、20、24、32、48、64）。?

4.5、CRC段

傳統CAN中的循環冗余校驗（CRC）為15位，而在CAN FD中為17位（最多16個數據字節）或21位（20-64個數據字節）。在傳統CAN中，CRC中可以包含0到3個填充位，而在CAN FD中，總是有四個固定填充位以提高通信可靠性。

4.6、ACK段

ACK緊跟著CRC結束標識位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的識別。

4.7、幀結束
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與CAN一樣，CAN FD的幀結尾也為連續7位的隱性位。

5CAN FD的改進

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間提高位速率；另一種方式為加長數據場長度減少報文數量降低總線負載率。

CAN FD在 CRC 校驗段采用了三種多項式來保證高速通訊下的數據可靠性。
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1、縮短位時間提高位速率

CAN FD支持雙比特率，與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率。

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間定義寄存器，它們除了采用不同的位時間單位 TQ 外，位時間各段的分配比例也可不同。

2、加長數據段長度減少報文數量降低總線負載率

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。

DLC 最大支持 64 個字節，在 DLC 小于等于 8 時與原 CAN 總線是一樣的，大于 8 時則有一個非線性的增長，最大的數據場長度可達 64 字節。如下所示為 DLC 數值與字節數的非線性對應關系。

3、CRC校驗段

CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，由于 DLCs 的長度不同，在 DLC 大于 8 個字節時，CAN FD選擇了兩種新的 BCH 型 CRC 多項式，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。

6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， 我們仍需要做很多的工作。

1、在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要選取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收發器，還要選取新的網絡調試和監測工具。

2、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。

CAN FD 協議是 CAN-BUS 協議的最新升級，將 CAN 的每幀 8 字節數據提高到 64 字節，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。

此項技術一直被歐美企業壟斷，直至 2016 年，中國 CAN-BUS 領導者—廣州致遠電子股份有限公司，基于擁有完全知識產權的 CAN FD IP 核代碼，研制出中國第一款 CAN FD 接口卡，使中國的總線技術水平與世界最高水平同步。

審核編輯：湯梓紅