CAN通信技术连载（6）--CAN FD协议

经典CAN总线(CAN 2.0A/B)在汽车、轨道交通、自动化、医疗等行业有广泛的应用。但是随着时间的推移，人们发现它（尤其在汽车领域）存在两方面的问题：

①总线的负载率越来越高。总线负载率是总线实际发送数据与总线容量的比值。比如假设CAN总线的波特率为500k bps，也就意味着当前总线每秒钟最多传输500,000个位数据，这称为总线容量。如果实际上每秒传输了475,000个位，则总线负载率达到95%。如果达到了较高的负载率，则只能通过提高总线波特率的方式使其降低。但经典CAN总线的最高波特率为1M bps。

②数据载荷较低。数据载荷是指实际要传输的原始数据。在网络传输中，为了保证数据传输的完整性和准确性，往往要在原始数据之外加上校验、地址等信息，好像给原始数据增加了一层或多层“外套”。经典CAN总线的每个数据帧最多可传输8字节数据，其它的仲裁域、控制域及校验域等占用不少数据位。与其它协议（比如UDP协议）相比，每帧的数据载荷较低。

基于以上问题，博世公司于2012年推出了CAN FD协议，并在2015年正式成为国际标准ISO 11898-1。今天这篇文章，我们就来介绍下CAN FD协议。

我们知道“CAN”是“Controller Area Network”的缩写，即“控制器局域网络”。而CAN FD是“CAN with Flexible Data-Rate”的缩写，即“具有可变数据速率的CAN”。CAN FD协议具有如下一些特点：

①“数据速率可变”是指CAN FD的数据帧中，其数据相（包括控制域的一部分、数据域和校验域，后文详述）的传输速率可以不同于仲裁相。在经典CAN的数据帧中，各部分（比如仲裁域、控制域、数据域、校验域等）都采用相同的传输速率。而CAN FD中，可以采用两种不同的传输速率，并且传输速率比经典CAN有很大的提高，数据相部分最大支持5Mbps的波特率。

②与经典CAN类似，CAN FD也包括数据帧、错误帧和过载帧，但取消了远程帧。数据载荷提高，每个数据帧最多可发送64字节的原始数据。

③物理层与经典CAN相同，但是数据链路层（数据帧的定义，校验的计算方法）不同。因此经典CAN节点不能接收CAN FD报文，但CAN FD节点可以接收和发送经典CAN报文。

下面我们来详细介绍下CAN FD的数据帧。

1、帧起始：与经典CAN类似，CAN FD数据帧的第1位也是“SOF（Start Of Frame，帧起始）”，显性电平（逻辑0）。

2、仲裁域：与经典CAN类似，不过将“RTR”位替换为“RRS”位。RRS是英文“Remote Request Substitution（远程请求替换）”的缩写，该位替代了远程帧请求位，并且在CAN FD中永远保持显性（逻辑0）。这就意味着CAN FD中没有远程帧，如下图所示：

3、控制域：保留了经典CAN的IDE/r1、r0和DLC，增加了FDF、BRS和ESI三个位，如下图中的绿色部分：

其中：

①IDE(Identifier Extension)：扩展帧标识。当该位为隐性（逻辑1）时表示扩展帧，显性（逻辑0）表示标准帧。

②FDF(FD Format Indicator)：FD帧标识。当该位为隐性（逻辑1）时表示CAN FD帧，显性（逻辑0）表示经典CAN帧。

③res：保留位。

④BRS(Bit Rate Switch)：位速率切换位。当该位为隐性（逻辑1）时仲裁相和数据相使用不同的传输速率。

⑤ESI(Error State Indicator)：错误状态标识。当该位为隐性（逻辑1）时表示发生错误。

⑥DLC(Data Length Code)：数据长度编码，共有4位，用来表示数据的实际长度（字节）。DLC0是DLC的第0位，DLC3是其第3位。四位二进制数最大可以表示的数值为15。因此，对于经典CAN数据长度最大8字节来说，数据长度编码可以顺序编号，如下面的表格所示：

但是CAN FD希望能最大传输64字节的数据，这样数据编码就不能采用顺序增长的方式，必须进行定义。为了与经典CAN兼容，8字节以前的数据是相同，以后的编码采用下面的定义：

经典CAN和CAN FD数据域如下图中蓝色部分：

4、数据域：上图中的蓝色部分。

5、校验域：经典CAN和CAN FD都采用循环冗余校验（CRC），不同的是前者采用15位CRC校验，而后者采用17位或21位CRC校验。具体来说当数据长度小于等于16字节时，采用17位CRC校验。当数据长度大于16字节时，采用21位CRC校验。

CAN FD的校验域包括：填充计数、CRC校验值和CRC限定符。

①填充计数（Stuff Count）：由4个位组成，其中前3个位是帧中动态填充的位的数量对8取模的值（除以8的余数）再转换成格雷码，最后一个是前三位的校验（偶校验）。

②校验值：17位或21位CRC校验值。

③CRC限定符：1位（最多2位）隐性电平（逻辑1）。当CRC值发送完成后会接着发送一位CRC限定符，节点收到该值后会从数据相的速率切换到仲裁相的速率。

下图中的蓝色部分是校验域：

6、确认域：1个隐性位（逻辑1）。CAN FD多可识别两个位时间的确认信号，见下图中黄色部分。

7、帧结束：7个隐性信号（逻辑1），表示帧的结束，见下图中红色部分。

在CAN FD数据帧中，可以有两种不同的传输速率，我们把使用基本传输速率的部分称为“仲裁相（Arbitration Phase）”，可切换成更高传输速率的部分称为“数据相（Data Phase）”。

CAN FD标准帧仲裁相和数据相区别如下图所示：

CAN FD扩展帧仲裁相和数据相区别如下图所示：

需要说明的是：虽然数据相可以使用更高的传输速率，但不是必须的。也就是说，仲裁相和数据相也可以采用相同的传输速率。

好了，关于CAN FD协议就先介绍到这里。

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