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深度解析CAN-FD与CAN协议的差别

article 2024/11/1 10:05:19

随着工业的发展，工业总线上的数据量越来越多，这使得CAN总线的逐渐达到负荷极限，这就需要改进原有的总线来提高总线传输速率，CAN-FD便在这样的背景下诞生了。

随着当今工业的发展，尤其是在CAN总线运用较多的汽车领域，总线通讯的数据量越来越大，例如电动汽车上，汽车内部出现更多的辅助系统和人机交互系统，这就使得传统的CAN总线在传输速率和带宽方面越来越力不从心。因此CAN-FD孕育而生。

图1

根据CAN规范ISO11898-2所定义的标准帧结构，一帧报文最大只能传输64位（8个字节）的数据，在最好的情况下总线负载达到70%左右，不过如果报文数据少于8个字节的情况下总线负载可能会更小。我们或者会提出疑问，为什么不可以把CAN标准的通信波特率改高一点呢？其实是有一个很重要的因素，CAN采用仲裁机制来判定不同节点CAN报文传输的优先级，在仲裁期同一总线上的所有节点必须在一个位的时间内到达。另一方面电信号有一个有限的传播速度。从大量经验中得出CAN总线以1Mbit/s运行的最长距离为40米。通信波特率越高，通信距离则越短。

CAN-FD与CAN主要区别

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。

图2

CAN-FD简介

1. CAN-FD 数据帧帧格式

CAN-FD 数据帧在控制场新添加EDL位、BRS位、ESI位，采用了新的DLC编码方式、新的CRC算法（CRC场扩展到21位）。CAN-FD数据帧格式如图 3所示。

图3

2. 新添加位介绍

2.1 EDL位（Extended Data Length），原CAN数据帧中的保留位r，该位功能为：

隐性： 表示CAN-FD 报文（采用新的DLC编码和CRC算法）；
显性： 表示CAN报文。

2.2 BRS位（ Bit Rate Switch），该位功能为：

隐性：表示转换可变速率；
显性：表示不转换速率。

2.3 ESI（Error State Indicator），该位的功能为：

隐性：表示发送节点处于被动错误状态（Error Passive）；
显性：表示发送节点处于主动错误状态（Error Active）。

EDL位可以表示CAN报文还是CAN-FD报文；BRS表示位速率转换，该位为隐性位时，从BRS位到CRC界定符使用转换速率传输，其他位场使用标准位速率，该位为显性时，以正常的CAN-FD总线速率传输；通过添加ESI位，可以很方便的知道当前发送节点所处的状态。

图4

3. 新的CRC算法

CAN总线由于位填充规则对CRC的干扰，造成错帧漏检率未达到设计意图。CAN-FD对CRC算法作了改变，即CRC以含填充位的位流进行计算。在校验和部分为避免再有连续位超过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。由于数据场长度有很大变化区间，所以要根据DLC大小应用不同的CRC生成多项式，CRC_17，适合于帧长小于210位的帧，CRC_21，适适合于帧长小于1023位的帧。