干货分享 | CAN-FD总线协议详解

NXP管管

引言

上篇文章中我们详细介绍了目前汽车电子ECU中使用最为广泛的传统CAN 2.0 A/B总线协议（查看文章详情）。


但是随着汽车电子的日益发展，尤其是汽车智能化(Autonomy，自动驾驶技术)、电气化(Electrification，零排放、国VI等严格的排放标准、新能源电动车或者氢能源车等) 和互联化 (Connectivity，车联网、V2V，V2X等)的发着趋势，对汽车电子通信总线的带宽提出了更高的要求。


传统CAN 2.0 A/B总线协议已经很难满足汽车电子的发展需求，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。
     
本文就给大家详细介绍一下CAN-FD总线协议，希望对大家有所帮助。
   

CAN-FD总线协议概述

由于汽车行业的带宽要求，需要改进CAN数据链路层协议。2011年，博世与汽车制造商和其他CAN专家密切合作，启动了CAN FD (Flexible Data rate，灵活数据速率) 的开发。

改进的CAN-FD总线协议克服了CAN 2.0的限制：可以比1 Mbit/s更快地传输数据 (CAN-FD的数据场传输数据率可高达8MBbit/s)，并且每帧CAN报文的有效载荷 (payload数据字段) 不再限于8字节 (CAN-FD的数据场长度最大可支持到64字节)。
      
CAN-FD和CAN主要的区别有两点：
     
1、可变速率
      
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。
     
2、新的数据场长度


CAN-FD对数据场的长度作了很大的扩充，DLC最大支持64个字节，在DLC小于等于8时与原CAN总线是一样的，大于8时有一个非线性的增长，所以最大的数据场长度可达64字节。

CAN FD协议控制器兼容支持传统CAN 2.0 A/B帧。两种CAN协议 (CAN 2.0和CAN FD) 在ISO 11898-1：2015中都是国际标准化的。具有11位标识符的CAN FD数据帧使用FBFF (FD基本帧格式)，具有29位标识符的CAN FD数据帧使用FEFF (FD扩展帧格式)。CAN FD协议不支持远程请求的数据帧。

CAN-FD的仲裁场(Arbitration Field)和控制场(Control Field)

CAN-FD的仲裁场(Arbitration  Field) 与CAN 2.0 A/B兼容：
      
　　　IDE(Identifier Extension Flag)-bit: 用于标识使用扩展ID还是标志ID帧；


　　　RRS(Remote Request Substitution)-bit: 用于控制远程请求订阅；


　　　SRR(Substitute Remote Request)-bit: 用于控制订阅远程请求。

这意味着CAN-FD也是可以支持标准ID和扩展ID的，但其没有RTR(Remote Transmission Request)-bit，因此不支持远程帧。



CAN-FD的控制场(Control Field) 在CAN 2.0 A/B的基础上，扩展了FDF (Flexible Data Format)，以标识是否为CAN-FD帧 (FDF=1)；并增加了EDL (Extended Data Length)扩展数据长度标识位、BRS(Bit Rate Switch)数据场比特率切换控制位和ESI (Error Status Indicator) 错误状态指示位：

CAN-FD为了保持与CAN 2.0的兼容，虽然DLC(Data Length Control)数据长度控制位依然保持为4-bit，但增加了12/16/20/24/32/48/64选项：

CAN-FD的CRC场(CRC  Field)

CAN FD节点对不同的帧格式使用不同的CRC生成多项式。第一个多项式CRC_15用于CAN格式的所有帧。第二个CRC_17用于CAN FD格式的帧，DATA FIELD最长为16个字节。第三个CRC_21用于CAN FD格式的帧，DATA FIELD长度超过16个字节。每个多项式保证HD = 6的汉明距离。

CAN 2.0 A/B(Classic CAN) vs. CAN-FD传输效率

为了对CAN-FD相较于传统CAN2.0总线的传输效率有一个比较直观的认识，本小节就以一个实际的应用案例介绍这两种CAN总线的传输效率计算方法和结果对比：
      
当CAN 2.0A/B工作在高速CAN模式(波特率为500Kbit/s)，数据场长度为8Byte(64bit)，其传输效率为58%，平均速率0.5Mbit/s。
     

配置与其兼容的CAN-FD，设置帧头波特率为500Kbit/s，数据场长度为64Byte(512bit)，波特率为8Mbit/s，其传输效率高达90%，平均速率为4.5Mbit/s。

不同的数据长度和通信波特率，CAN总线的传输效率有所差异，如下图所示：

CAN-FD与CAN2.0 A/B节点共同组网要求

根据CAN-FD协议，其与CAN 2.0A/B兼容，即支持CAN-FD的节点也是可以支持发送CAN 2.0 A/B报文帧的；


因此在同一个CAN总线通信网络中，允许同时存在CAN-FD节点和CAN 2.0 A/B节点：
      
CAN-FD节点可以接收和发送CAN-FD和CAN 2.0 A/B报文，通过每一帧CAN报文的控制场自动识别。


CAN 2.0 A/B节点无法发送和接收CAN-FD报文，所以必须使用带有CAN-FD屏蔽(shield)的CAN收发器，才能够保证正常工作，否则会检测到总线错误。


比如，如下的一个汽车电子CAN网络中，包含了2个CAN-FD ECU节点和2个传统CAN 2.0 ECU节点，为了保证网络正常工作，需要在2个传统CAN 2.0 ECU节点使用CAN-FD屏蔽的收发器：

CAN-FD节点可以正常收发CAN 2.0和CAN-FD报文帧：发送CAN-FD报文帧时，其控制场的FDF=1，标识该帧数据为CAN-FD，同时BRS根据需求设置，从而实现数据场传输数据率的切换：

CAN 2.0节点由于使用了CAN-FD屏蔽的收发器，在CAN-FD节点发送CAN-FD数据报文帧时，会在物理层检测到FDF=1，进而给节点MCU发送6-bit显性位，制造填充错误 (stuff error), 然后产生被动错误标志帧，但是不会影响其他的CAN网络节点正常收发CAN-FD报文帧数据：

CAN-FD屏蔽收发器将在CAN-FD报文帧的ACK场释放与MCU连接的RXD引脚，从而RXD可以正常响应总线：

Tips

由于之前量产的汽车MCU集成的CAN控制器都不支持CAN-FD，而考虑到成本和技术发展路线，整车的所有CAN ECU节点不可能一下子全部升级到支持CAN-FD，因此，CAN 2.0与CAN-FD节点共存于同一个CAN通信网络的情况在接下来若干年汽车CAN总线网路向CAN-FD升级过程中将是比较常见的。

总结

本文详细介绍了最新的CAN-FD总线协议的优势和与CAN 2.0 A/B协议的兼容/差异实现细节--仲裁场(Arbitration  Field)、控制场(Control Field)和增强的CAN-FD的CRC场(CRC  Field)，并以一个实际案例分析了CAN2.0A/B(Classic CAN) vs. CAN-FD 传输效率计算和结果比较，最后还介绍了在传统CAN 2.0 网络向CAN-FD升级过程中如何实现CAN-FD与CAN2.0 A/B节点共同组网。



参考文档


CAN FD-The basic idea




作者：NXP　　　　文章出处：NXP客栈

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CAN FD最大的好处是payload显著增加了