CAN-FD协议浅析

引言

随着电子、半导体、通讯等行业的快速发展，汽车电子智能化的诉求也越来越强，消费者希望驾驶动力性、舒适性、经济性以及娱乐性更强的汽车。汽车制造商为了提高产品竞争力，将越来越多的电子控制系统加入到汽车控制中，例如ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）、PEPS（Passive Entry Passive Start无钥匙进入和启动系统）等。但是由于CAN总线的最高传输速率为1Mbit/s（通常汽车CAN系统的实际使用速率最高为500kbit/s），ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）的大量增加使总线负载率急剧增大以致造成网络拥堵，影响信息传输的可靠性和实时性。
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。

CAN-FD比CAN总线的带宽更高，具有与CAN总线相似的控制器接口，这种相似性使ECU供应商不需要对ECU的软件部分做大规模修改，降低了开发难度和成本。CAN-FD是CAN总线的升级换代设计，它继承了CAN总线的主要特性，提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变。CAN-FD协议充分利用CAN总线的保留位进行判断以及区分不同的帧格式。在现有车载网络中应用CAN-FD协议时，需要加入CAN-FD控制器，但是CAN-FD也可以参与到原来的CAN通信网络中，提高了网络系统的兼容性。

CAN-FD帧格式

对比CAN总线帧格式，CAN-FD帧增加或改变了一些位的功能，包括：
　　◆EDL(Extended Data Length)扩展数据长度，在标准的CAN帧中，控制场包含的保留位被指定为显性位发送，但是在CAN-FD帧中EDL以隐性位发送，EDL主要用于区分标准CAN帧格式和CAN-FD的帧格式。由于在CAN-FD中EDL总是以隐形位发送，后面的位r0为显性位，因此可在BRS(Bit Rate Switch)位速率开关位之前提供一个重同步沿，这个沿也可用于在收发器延迟补偿中测量收发器的延迟；
　　◆r1，r0，保留位并以显性位发送，在CAN FD中接收节点忽略r1和r0位的值；
　　◆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。
　　CAN-FD协议中没有远程帧，标准CAN帧中的RTR位由保留位r1（显性位）替代，因此可将CAN远程帧用于CAN-FD系统中。
　　CAN-FD一帧最多可以传输64个字节，因此DLC将重新定义CAN-FD的数据长度，值的范围将由原来的0000b~1000b（覆盖8个字节）扩大至0000b~1111b以满足需求，如图所示为DLC数值与字节数的对应关系

CRC算法

CAN总线通常进行位填充以保持同步，但是位填充会干扰CRC的计算，从而造成错误漏检率达不到设计目标。因为有两种位错误在个别的情况下检测不出来，一种位错误产生位填充条件，另外一种位错误失去位填充条件，这两种位错误都会改变帧位。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保留了所有的CAN错误界定机制，包括错误帧、错误计数器、主动错误/被动错误状态等。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，适合于帧长小于1023位的帧。

CAN-FD位时间转换

CAN-FD有两套位时间配置寄存器，应用于仲裁段的第一套的位时间较长，而应用于数据段的第二套位时间较短。首先对BRS位进行采样，如果显示隐性位，即在BRS采样点转换成较短的位时间机制，并在CRC界定符位的采样点转换回第一套位时间机制。为保证其他节点同步CAN FD选择在采样点进行位时间转换。

CAN-FD应用意义

CAN-FD可以有效提高车载网络的数据传输速率，并且保持现有软硬件不做大的改变。图为Bosch提供的位速率增长曲线，从曲线可以看出当仲裁段的位速率一定时，随着数据段速率的增大数据帧的平均位速率是逐渐增大的，随着帧数据场长度的增加平均位速率也是变大的。当仲裁段位速率选定1Mbit/s、数据场长度为64个字节、数据段的位速率为8Mbit/s时，CAN-FD总线的带宽可以提高到5 Mbit/s多，这是相当可观的。

CAN-FD显著提高了车载CAN网络的带宽，更长的数据场长度可以避免使用多包传输。CAN-FD的成本与CAN总线基本接近，并且对目前的软件和应用程序改动较小，CAN-FD保留了车载CAN网络的物理层和拓扑结构，能够提供CAN总线网络的无缝升级，这些优越性为CAN-FD提供了良好的发展前景。

参考：http://article.cechina.cn/13/0821/10/20130821104920.htm