深度解析CAN-FD与CAN协议的差别
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深度解析CAN-FD与CAN协议的差别
&随着当今工业的发展，尤其是在CAN总线运用较多领域，总线通讯的数据量越来越大，例如电动汽车上，出现更多的辅助系统和，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。因此孕育而生。
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，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，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时有一个的增长，所以最大的数据场长度可达64字节。
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。
2、新添加位介绍
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
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
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。
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。
4、新的DLC编码
CAN-FD 数据帧采用了新的新的DLC编码方式，在数据场长度在0-8个字节时，采用线性规则，数据场长度为12-64个字节时，使用非线性编码。如图 5所示。
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CAN-FD通过改变帧结构和提高位速率等方法成功的把数据传输速率提高到了5Mbit/s。诗讯半导体（Spansion）近期发布的Cortex-R5系列汽车级MCU产品全系列支持CAN-FD总线通信。
CAN及CAN-FD背景介绍
自1986年博世（Bosch）首次在SAE国际大会上展示CAN（Controller Area Network，控制器域网络）通信方案以来，这种高速、可靠、易用的通信总线就一直被汽车产业所关注，并得到了绝大多数整车厂和零部件厂的支持。经过了20多年的发展与沉淀，CAN通信目前已经成为车载网络领域最成熟、应用最广泛的通信总线之一（CAN的发展历程如图1所示）。
图1 CAN通信方案的发展历程
CAN总线通信的一些关键特性使其非常适合车载网络应用：
（1）差分信号可靠性高，抗干扰能力强，且通信介质选择灵活（双绞线、同轴电缆或光纤）；
（2）通信速率最高可达1 Mbit/s（此时距离最长40 m）；
（3）采用多主通信模式，当总线空闲时，任意节点均可以主动向网络其他节点发送信息；
（4）支持节点优先级设定，并采用非破坏性逐位仲裁规则解决潜在数据发送冲突；
（5）信息以广播式发送，所有节点都能接收到信息，保证网络内的数据一致性；
（6）支持完善的错误界定和处理机制，出错节点具有自动关闭退出总线的功能。
随着人们对汽车的智能化要求越来越高，汽车上装配的电子控制单元也越来越多，CAN总线通信也渐渐显现出来一些不足：
（1）最高数据传输速率限制为1 Mbit/s，车载领域实际使用速率最高为500 Kbit/s，无法满足越来越高的数据吞吐量需求；
（2）每帧报文有效数据场为8字节，仅占整帧报文信息不足50%；
（3）性能上难以应对Flexray、Ethernet等新型车载总线的威胁。
市场对提升CAN总线性能的强烈需求使CAN-FD （Flexible Data rate）应运而生，CAN-FD发扬了CAN的优点，并弥补了CAN的不足，其主要特性如下：
（1）采用与CAN通信相同的事件触发模式，软件容易开发和移植；
（2）最高数据传输速率达5Mbit/s，更好地满足要求高实时性、高数据传输速率的应用；
（3）每帧报文有效数据场为64字节，占整帧报文信息超过70%；
（4）相比Flexray、Ethernet等新兴总线成本更低。
CAN-FD的技术特点
CAN-FD通过改变帧结构和提高位速率等方法成功的把数据传输速率提高到了5Mbit/s，其基本原理如图2所示。CAN-FD协议的帧结构如图3所示。
图2 CAN-FD传输的基本原理
图3 CAN-FD协议的帧结构 (注：图片来源：Vector)
CAN与CAN-FD总线的区别：
CAN与CAN-FD总线报文格式对比：
图4 CAN与CAN-FD总线报文格式对比图 (注：图片来源：Vector)
CAN与CAN-FD总线的区别：
（1） CAN-FD整个报文帧包含两种不同的数据传输速率，从SOF到BRS（Bit Rate Switch）采用传统的50Kbps至1Mbps速率传输，从BRS到ACK场采用可变传输速率，通常为5Mbps；
图5 CAN-FD数据传输速率转换 (注：图片来源：http://www.can-cia.org/de/can-knowledge/can/can-fd/ )
（2）CAN-FD数据场有效字节数最高可达64字节；
（3）报文帧格式变化：
a） CAN-FD取消了RTR（Remote Transmission Request）位，代之以RRS（Remote Request Substitution）位，且RRS位一直为显性位;
b） CAN-FD在控制场增加了以下控制位。FDF（FD Format）或EDL（Extended Data Length）：CAN格式为显性，CAN-FD格式为隐性；BRS（Bit Rate Switch）：在CAN-FD报文中分隔仲裁场与数据场、转换数据传输速率为隐性、不转换数据传输速率为显性；ESI（Error State Indicator）：发送节点处于被动错误状态(Error Passive)为隐性、发送节点处于主动错误状态(Error Active)为显性。
c） CAN-FD采用了新的DLC编码方式，如下图所示：
图6 CAN-FD DLC编码方式 （注：图片来源：http://www.can-cia.org/de/can-knowledge/can/can-fd/）
d） CAN-FD采用了新的CRC算法：标准CAN：CRC码为15位
CAN-FD：数据场小于等于16字节，CRC码为17位；数据场大于16字节，CRC码为21位。
CAN与CAN-FD混合网络的实施：
根据CAN与CAN-FD网关特性及网络结构的不同，标准CAN与CAN-FD混合网络的实施具有一定复杂性，需要根据具体情况进行实际论证。通常建议从以下几个方面为基础进行考量：
（1）网络中存在单个CAN-FD节点：
CAN-FD节点的数据通信速率需要与网关的通信速率兼容，故采用与标准CAN网关相同的通信速率，通常为500Kbps；
（2）网络中存在多个CAN-FD节点：
采用诸如局部网络（Partial Network）的分组组网技术，实现在数据通信时局部网络节点唤醒，即CAN-FD节点间通信时，标准CAN节点不唤醒；
CAN-FD的相关厂商：
（1）CAN-FD的IC厂商
a) MCU/SOC：目前汽车电子领域的各大半导体厂商已经量产或正在开发集成CAN-FD控制器的产品。
诗讯半导体（Spansion）近期发布的Cortex-R5系列汽车级MCU产品全系列支持CAN-FD总线通信。2014年7月，诗讯半导体正式发布了集成CAN-FD控制器的ARM Cortex-R5 S6J3310系列产品。该产品的关键特性包括：ARM Cortex-R5高性能32位内核，主频高达144 MHz；最高集成2路CAN-FD通信，每路数据传输速率达5 Mbit/s；支持SHE（Secure Hardware Extension）加密功能；支持更新的低功耗功能，如部分唤醒等；支持AutoSAR。图4展示了S6J3110评估板的CAN-FD的技术特点和帧结构的实测波形。
图7 S6J3110评估板的CAN-FD的技术特点和帧结构的实测波形
b) 收发器：目前NXP为代表的收发器厂商已经有多款支持CAN-FD的产品推出，且部分产品已经支持局部网络（Partial Network）、休眠状态总线唤醒等功能。
（2）CAN-FD的设备、工具厂商
在车载应用领域，目前已有多家设备、工具厂商支持CAN-FD总线协议，如维克多（Vector）、罗德与施瓦茨（R&S）和周立功（ZLG）等。
国外厂商以维克多为代表，其在工具体系的完整性方面更为领先。Vector的工具体系完整的支持CAN-FD的开发、测试、网络分析等全部功能。另外，其GL系列总线记录仪也将在不远的将来支持CAN-FD协议。
国内厂商以周立功为代表，其最新推出的四通道ZDS2024示波器可以很好的支持CAN-FD协议，其关键特性包括：支持4通道、模拟带宽高达200MHz、采样率每通道均为1GSa/s、21种协议触发及解码、51种参数测量及24种参数同时测量统计。
CAN-FD的主要应用领域：
CAN-FD因其继承了CAN总线得低成本、高可靠性等特点，又进一步提升了其数据传输性能，未来在以下领域有着很大的发展空间：
（1）EOL（End-Of-Line）程序烧写：CAN数据传输速率为500 Kbit/s；CAN-FD数据传输速率为5 Mbit/s，约10倍于CAN传输速率。
（2）动力、底盘和安全系统，以及身份认证：数据场支持长达64字节，避免数据非必要的拆分。
（3）网关：提高网络数据传输速率达5 Mbit/s，提高了有效数据负载率。
车载电子模块数量的不断增长对车载网络通信技术提出了更高的要求，CAN-FD作为一个新兴的车载网络技术具备低成本、高可靠性、高传输速率等优点，很有可能会在未来几年的汽车电子领域大放异彩。
CAN及CAN-FD专业名词：
d = dominant
r = recessive
ACK = acknowledgement
CRC = cyclic redundancy check
DLC = Data length code
EDL = Extended Data Length
EOF = End-Of-Frame
ESI = Error State Indicator
FBFF = FD Base Frame Format
FEFF = FD Extended Frame Format
FDF = flexible data rate format
IDE = identifier extension
IMF = intermission field
r0 = reserved
RTR = Remote transmission request
RRS = remote request substitution
SOF = start-of-frame
SRR = substitute remote request
BRS = Bit Rate Switch
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应用方案（1）
作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN-bus
已被广泛应
用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，
都具有不可比拟的优越性。
根据各个不同应用领域的设计特点，本文提出了几种
CAN-bus 应用系统的硬件方案。
CAN-bus 节点
各种自动控制网络，比如楼宇自动化、仪表自动控制、数据远程传输、电机控制等
可实现远距离传输（≤ 10KM），工作速率可调（1Mbps≥ 通讯速率≥ 5Kbps）
升级原有的
RS-485 网络
● 2线式通讯
AD5 28 AD5
AD4 27 AD4
3 ALE/AS AD3 26 AD3
AD1 24 AD1
AD0 23 AD0
8 CLKOUT VDD1 21
TXD_C 390 3
XTAL3 9 XTAL1
RX1 20 RXD1_C
XTAL4 10 XTAL2 RX0 19 RXD_C
CAN_H CAN_H
VDD2 RST_L
TXD_C 13 TX0
INT 16 INT_CAN
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