通信总线协议之CAN-FD协议详解

通信总线之CAN-FD总线协议详解

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。

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 。

CAN 标准帧格式
CAN FD帧格式

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；

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：

在这里插入图片描述

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

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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