CAN FD通信协议 来源 : 华清远见     2024-09-24

一、什么是CAN FD

CANFD（CAN Flexible Data-Rate）是CAN通信协议的一种变种，它支持高速数据传输，同时保持低成本、简单的特性。CANFD使用高速位速率传输数据，允许更高的数据吞吐量，并且通常与现有的CAN硬件兼容。

在CANFD网络中，节点可以以不同的位速率（Flexible Data-Rate, FDR）同时发送数据。FDR可以是5Kbps到1Mbps之间的任何值，并且可以在通信过程中动态改变。

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。

二、 CAN FD的特点

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 。

三. CAN-FD总线协议

1、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一样，CAN FD一共具有：帧起始，仲裁段，控制段，数据段，CRC段，ACK段和帧结束，7部分组成。

2、 帧起始

CAN FD与CAN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的作用。

3、 仲裁段

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；

4、 控制段

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：

5、 数据段

数据段即为传输的具体数据内容

CAN FD不仅能支持传统的0-8字节报文，同时可以支持12, 16, 20, 24, 32, 48, 64字节

6、 CRC段

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：

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）

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

7、 ACK段

与CAN相比，在CAN FD中最多可接受2个位时间有效的ACK，允许1个额外的位时间来补偿收发器相移和传播延迟

由从高速的数据场到慢速的仲裁场时，时钟切换会引起收发器相移和总线传播延迟；为了补偿其相移和延迟，相比传统的CAN，在CAN FD中多加了这额外的1位时间

在ACK之后，发送ACK界定符，这是一个表示ACK结束的分隔符，用1位隐性位表示

8、 帧结束

与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位

四. 如何从传统的CAN升级到CAN FD

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:

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;

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；

五、CANFD与CAN的主要区别

六、CANFD的应用优势

更高的数据传输速率：满足现代汽车电子系统对高速数据传输的需求。

更大的数据负载能力：支持单个数据帧内传输更多数据，减少数据分拆传输的需求。

保持实时性和可靠性：继承了CAN协议的实时性和可靠性优势。

七、未来发展趋势

随着汽车电子系统的不断发展，CANFD协议将在未来继续发挥重要作用。同时，随着技术的不断进步，可能还会出现更加先进的通信协议来满足更高的数据传输需求。然而，CANFD协议作为当前汽车电子系统中广泛应用的通信协议之一，其地位在短期内难以被替代。