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CAN FD协议

CAN FD 是 CAN with Flexible Data rate 的缩写，翻译为【可变速率的 CAN】。 也可以简单的认为是传统 CAN 的升级版，其中要说明的是，只升级了协议，物理层没有改变。

CAN FD的由来

CAN 数据段只有 8byte，最高速率为 1Mbit/s，通常使用的是 500k，随着功能的逐渐增多，各 ECU 之间的信息交互也越多，导致总线负载持续走高；CAN 报文中只有约 40~50% 的带宽用于实际数据传输（对比其他协议，额外开销比例要小得多，如UDP （1500 bytes/datagram, 64 bytes overhead），FlexRay（254 bytes/frame, 8 bytes overhead））；响应机制受车内布线的物理特性限制，例如 CAN 控制器中的 ACK 生成延迟；收发器传播延迟；导线延迟等，然而随着汽车功能越来越多，CAN总线的局限性也逐渐暴露。

但是汽车不可能直接放弃目前的传统 CAN 总线技术，重头来过。那么为了解决 CAN 总线负载率问题，而又能兼容 CAN 总线，并且研发成本不能太高的问题，CAN FD 就应运而生了。

传输速率比较

CAN的传输速率

一般的工程中比较常用的为 500K 每秒的通讯速率。 这个速率在实际测试的时候也是非常可靠的。 CAN 总线上任意两个节点的最大传输距离与其位速率有关。 最大通信距离指的是同一条总线上两个节点之间的距离。 从下面图中，可以看到速率越低通讯距离就越远，也就是说 CAN 总线的通讯距离和波特率成反比。 CAN 最大传输速率为 1Mbps。

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CAN FD的传输速率

CAN-FD 采用了两种位速率：从控制场中的 BRS 位到 ACK 场之前（含 CRC 分界符）为可变速率，其余部分为原 CAN 总线用的速率。 两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位 TQ 外，位时间各段的分配比例也可不同。

因此，对于 CAN FD 而言，是在 CAN 的基础上增加了一个数据域的传输速率，数据传输速率要大于等于原 CAN 总线用的速率。 也就是说 CAN FD 支持两种传输速率，两种速率可以保持一致，也可以不保持一致。 速率可变，仲裁比特率最高 1Mbps，数据比特率最高 8Mbps。

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数据域长度对比

CAN 的数据域长度，一帧数据最长 8 字节。 CAN FD 数据域长度，一帧数据最长 64 字节。

传统 CAN 报文与 CAN FD 报文的 DLC 长度区别如下所示：

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ID 长度对比

CAN FD 标准帧 ID 长度可扩展至 12bit，CAN 的标准帧 ID 为 11bit。

帧格式对比

在 CAN 总线上传输的信息称为报文，当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 CAN 通信是通过以下 5 种类型的帧进行的：数据帧 、遥控帧 、错误帧 、过载帧 、帧间隔。

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CAN FD 新增了 FDF、BRS、ESI 位：

  • FDF：表示 CAN 报文还是 CAN-FD 报文；
  • BRS：表示位速率转换，该位隐性时，速率可变（即 BSR 到 CRC 使用转换速率传输），该位为显性时，以正常的 CAN-FD 总线速率传输（恒定速率）；
  • ESI:表示发送节点状态。

关于 CAN FD 的帧结构，详见下节。

CAN FD帧结构解析

Tip

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 帧一样，CAN FD 帧一共具有，帧起始 SOF，仲裁段，控制段，数据域，CRC域，ACK域，帧结束，共七个部分组成。

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帧起始

CAN 与 CANFD 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作用。以下是 CAN 和 CAN FD 的帧起始图。

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仲裁域

与 CAN 不同，CAN FD 取消了对远程帧的支持，用 RRS 位替换了 RTR 位，为常显性。IDE 用于区分标准帧和扩展帧。

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控制域

CAN FD 与 CAN 有着相同的 IDE，res，DLC 位。同时增加了 FDF、BRS、ESI 三个 bit 位。

FDF 为隐性时，表示为 CAN FD 报文；

BRS 为速率转换开发，当其隐性时，速率可变，当其显性时，以正常的 CAN FD 总线速率传输（恒定速率);

ESI 用于表示错误状态，主动错误发送显性位，被动错误发送隐性位。

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数据域

CAN FD 兼容 CAN 的数据格式，同时最大还能支持 12, 16, 20, 24, 32, 48, 64byte。

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CRC

CAN FD 对 CRC 算法进行了改进，CRC 对填充位也加入了计算。在校验和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 FD 的 CRC 场扩展到了 21 位。

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ACK

ACK 紧跟着 CRC 结束标识位。不同的是，CAN FD 支持 2bits 的 ACK 的识别。

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帧结尾

与 CAN 一样，CAN FD 的帧结尾也为连续 7 位的隐性位。