CAN FD协议实用指南

“您是否需要一份CAN FD协议的简要的实用指南？”—来自虹科的问候。

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CANFD 指南前言

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在本指南中，我们会介绍CAN FD（CAN Flexible Data-rate），包括：CAN FD框架，开销和效率，CAN FD应用示例和CSS的CAN FD记录仪案例，以及CAN FD的发展趋势。CAN FD看起来很复杂，本指南旨在提供一个通俗易懂的视觉介绍，以全面了解CAN FD。

“为什么会出现CAN FD？”
CAN协议自1986年问世以来就很流行：几乎任何移动的机器如今都使用CAN，无论是汽车，卡车，轮船，飞机还是机器人。但是随着现代科技的兴起，对“传统”的CAN协议（ISO 11898-1:2015中使用的官方术语）的要求越来越高：

1. 汽车功能的高速发展正在推动数据的大爆炸；
2. 网络越来越受到1Mbit/s带宽的限制；
3. 为了应对这些情况，OEM创造的复杂且又昂贵的解决方案。

具体而言，传统CAN的开销很大（> 50％），因为每个CAN数据帧只能包含8个数据字节。此外，网络速度限制为1 Mbit/s，从而限制了数据生成功能的实现。CAN FD解决了这些问题，使其具有前瞻性。

“什么是CAN FD？”

CAN FD协议是由Bosch以及行业专家预研开发的，并于2012年发布。通过标准化对其进行了改进，现已纳入ISO 11898-1:2015。原始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）与ISO CAN FD是不兼容。CAN FD具有如下四个主要优点：

• 增加数据的长度
  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。
  

• 增加传输的速度
  CAN FD支持双比特率：与传统CAN一样，标称（仲裁）比特率限制为1 Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit/s的数据比特率。
  

• 更好的可靠性
  CAN FD使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测到的错误的风险。这在汽车和工业自动化等安全攸关的应用中至关重要。
  

• 协议平滑过渡
  在一些特定的情况下CAN FD能用在仅使用传统CAN的ECU上，这样就可以逐步引入CAN FD节点，从而为OEM简化程序和降低成本。实际上，与传统CAN相比，CAN FD可以将网络带宽提高3到8倍，从而为数据的增长提供了一种简单的解决方案。
  
  “CAN FD是怎么工作的？”
  CAN FD看起来很简单：加快数据传输速度，并让每个消息的信息量增加，对吗？但是实际上并不是那么简单。下面我们概述了CAN FD的解决方案所必须应对的两个关键的挑战。
  在查看CAN FD数据帧之前，我们关键是要了解想要维持的传统CAN的两个核心部分：

• 1.避免关键消息延迟
  为什么不简单地将64个字节的数据打包进传统的CAN里面呢？
  这样做可以减少开销并简化消息解释。然而，如果比特率不变，这也会占用CAN总线更长时间，从而可能延迟带有关键任务的更高优先级的数据帧。
  

• 2.保持CAN线实际上的长度
  每条消息发送更多数据需要更高的速度。那为什么不加速整个CAN消息（而不仅仅是数据段）呢？这是由于“仲裁”：如果2个以上的节点同时发送数据，则仲裁将决定哪个节点具有优先权。 “优胜者”继续发送（无延迟），而其他节点会退出仲裁过程并转变成接收方。
  在仲裁过程中，“位时间”在每个位之间提供足够的延迟，以允许网络上的每个节点做出反应。 为确保在位时间内到达每个节点，以1 Mbit/s的速度运行的CAN网络的最大长度应为40米（实际上为25米）。 加快仲裁段的速度会将总线最大长度减少到不合适的长度水平。
  
  另一方面，仲裁段之后有一条“空旷的高速公路”，可在数据传输期间（只有一个节点在驱动总线时）实现高速传输。 在ACK时隙之前（当多个节点确认正确接收数据帧时）速度需要降低到标称比特率。因此，有必要找到一种方法，只在数据传输过程中提高速度。

解决方案：CAN FD框架
CAN FD协议引入了经过调整的CAN数据帧，以实现额外的数据字节和灵活的比特率。
下面我们比较一个11位的传统CAN帧与一个11位的CAN FD帧（同时也支持29位）：

下面我们一步一步地讨论这些差异：
RTR vs. RRS：传统CAN中使用了远程传输请求（RTR）来识别数据帧和相应的远程帧。 在CAN FD中，根本不支持远程帧，远程请求替换（RRS）始终是显性（0）。
r0 vs. FDF：在传统CAN中，r0为保留显性（0），在CAN FD中，称为FDF，为隐性（1）。
在r0/FDF位之后，CAN FD协议增加了“3个新位”。 请注意，不具备CAN FD功能的节点在FDF位之后会产生错误帧。
res：这个新的保留位起着与r0相同的作用——也就是说，将来它可以被设置为隐性(1)来表示一个新的协议。
BRS：比特率开关（BRS）可以为显性（0），这意味着CAN FD数据帧以仲裁速率（即最高1 Mbit/s）发送。 将其设置为隐性（1）意味着数据帧的其余部分以更高的比特率（最高5 Mbit/s）发送。
ESI：错误状态指示器（ESI）位默认为显性（0），即“错误有效”。 如果发送器变为“被动错误”，则将隐性（1）表示它处于被动错误模式。
DLC：像在传统CAN中一样，CAN FD DLC是4位，表示帧中数据字节的数量。 上表显示了这两种协议如何始终使用多达8个数据字节的DLC。为了维持4位DLC，CAN FD使用从9到15的其余7个值来表示所使用的数据字节数（12、16、20、24、32、48、64）。

SBC：填充位计数（SBC）在CRC之前，由3个格雷编码位和一个奇偶校验位组成。 随后的固定填充位可以视为第二个奇偶校验位。 添加了SBC以提高通信可靠性。

CRC：传统CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CAN FD中为17位（最多16个数据字节）或21位（20-64个数据字节）。 在传统CAN中，CRC中可以包含0到3个填充位，而在CAN FD中，总是有四个固定填充位以提高通信可靠性。
ACK：CAN FD数据帧的数据段（也称为有效负载）停止在ACK位，这也标志着可变比特率的结束。

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CAN FD与CAN的开销和数据效率的对比

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与传统CAN相比，CAN FD的新增功能增加了很多额外的位，CAN FD如何能高效地减少开销？
答案是：它并没有。请看下面3个数据字节的传统CAN与CAN FD的对比图。实际上，超过8个数据字节前，CAN FD的效率都不会超过传统CAN。不过，当数据长度向64个数据字节靠拢，效率是从50％提升至90％。（后面关于CAN FD效率计算器有所提及）

对速度的提升需求：采取开启比特率转换（BRS）
如上图可知，CAN FD以常规速度发送64个数据字节将阻塞CAN总线，降低实时性能。
为了解决这个问题，可以启用比特率切换，允许更高的速率（例如5 Mbit/s的数据段波特率对比仲裁段的1 Mbit/s）发送有效载荷。 上面我们以图解方式可视化了3个数据字节和64个数据字节方案的效果。

需要注意的一点是，较高的速度适用于以BRS位开始并以CRC分隔符结束的数据帧部分。此外，当今大多数车辆使用0.25-0.5 Mbit/s，这意味着以5 Mbit/s的速度，CAN FD将是有效载荷传输速度的10倍。

关于传统CAN和CAN FD节点的结合
如前所述，传统CAN和CAN FD节点可以在某些条件下混合使用。 这样就可以逐步向CAN FD迁移，而不必一次切换每个ECU。存在两种情况：

• 100％CAN FD系统
  在这里，CAN FD控制器可以自由混合传统CAN和CAN FD数据帧。
• 一些遗留节点是传统CAN
  在此，CAN FD控制器可以切换到经典CAN通信，以避免与经典CAN节点通信参加错误帧。另外，在刷写ECU时，传统的CAN节点可能会关闭以允许暂时转换为CAN FD通信。

CAN FD最大的比特率是多少？
CAN FD的一个令人困惑的方面是有效负载阶段的最大比特率，因为不同的文章提到了不同的级别。
有人指出，实际应用中可以达到8 Mbit/s，理论上可以达到15 Mbit/s。其他则规定最高为12 Mbit/s。此外，戴姆勒指出，超过5 Mbit/s的速度是值得怀疑的，既没有标准，又因为低成本的汽车以太网（10 BASE-T1）有望限制对CAN FD的更高需求。那么什么是正确的呢?
这得看情况，从ISO 11898-2（收发器芯片标准）来看，它指定了两个对称参数集。推荐使用那些具有改进的对称参数，通常宣传为5mbit/s的收发器。可达到的数据相位比特率取决于许多因素。最重要的一项是所需的温度范围。刷写ECU时不需要保持低温状态。 这意味着对于刷写ECU，可能会达到12Mbit/s。另一个重要的比特率限制是由所选的拓扑引起的。对比长分支甚至星形的混合拓扑，短分支的总线拓扑可以显著提高比特率。对于-40摄氏度至+125摄氏度的温度范围，大多数多分支总线线路网络被限制为2Mbit/s。 CiA在CiA 601-3网络设计建议中提供了适当的经验法则。这包括在数据段设置采样点的建议。

CAN FD计算器工具：效率和比特率
要详细了解CAN FD效率和平均比特率，我们建议您查一下我们的CAN FD计算器(可向虹科咨询索要CAN FD计算器)。

这个CAN FD计算器是一个在线可编辑的表格，可以根据用户输入不同的报文内容进行CAN和CAN FD的效率对比，同时会提供相应的直观效率曲线。

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CAN FD的应用场景介绍

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简而言之，CAN FD以更快的速度处理更多的数据。这对于一些日益相关的用例是至关重要的。

• 电动汽车
  电动汽车和混合动力汽车使用要求更高比特率的新动力总成概念。 新的控制单元涉及到DC / DC逆变器、电池、充电器以及增程器等，从而增加了复杂性。到2025年，预计所需的比特率将超过CAN，随着电动汽车的爆炸性增长，这可能是最先应用CAN FD的领域。
  

• ECU刷写
  车载软件变得越来越复杂。因此，通过例如OBD2端口执行ECU固件更新需要花几个小时。使用CAN FD，可以使此类过程的速度提高4倍以上。该用例一直是汽车OEM需求CAN FD的原始驱动因素之一。
  

• 机器人
  几个应用程序依赖于时间同步行为。例如多轴机器人手臂。此类设备通常使用CANopen，并且每个控制器都需要与时间同步发送多个CAN帧（PDO）（不会受到较高优先级帧的干扰。通过转换为CAN FD，原有多帧的数据可以通过单帧发送，从而提高效率。
  

• ADAS和安全驾驶
  乘用车和商用车中越来越多地采用高级驾驶员辅助系统（ADAS）。 这给经典CAN的总线负载带来了压力，而ADAS是提高安全性的关键。 在这里，CAN FD将在不久的将来成为增强安全驾驶的关键。
  

• 客车和货车
  客车和货车使用较长的CAN总线（10-20米）。因此通常它们基于低速比特率（根据J1939-14，为250 kbit/s或500 kbit/s）。 在这里，即将到来的J1939 FD 协议有望在商用车功能方面实现重大改进，其中包括例如 ADAS。
  

• 加密CAN总线
  如最近的CAN黑客攻击所示，传统CAN容易受到攻击。如果黑客可以访问CAN总线（例如无线），则可以关闭关键功能。通过安全车载通信（SecOC）模块进行的CAN FD身份验证可能是密钥推出的关键。
  

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CSS记录CAN FD数据应用案例

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随着CAN FD的兴起，我们将会介绍几种记录CAN FD数据的使用案例：

• 记录汽车数据
  随着新车的推出，CAN FD数据记录仪将成为记录汽车OBD2数据的关键。
  

• 重型车队远程信息处理
  兼容J1939灵活数据速率的IoT CAN FD记录仪将是未来重型远程信息处理的关键。
  

• 预见性维护
  随着CANopen FD的推出，新的工业机械将需要CAN FD物联网记录器，以帮助预测和避免故障
  

• 车辆或者机器的“黑匣子”
  一个CAN FD记录器可以作为一个“黑匣子”，例如新的原型车辆，为诊断和研发提供数据。
  

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指南的最后：CAN FD的趋势

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• CAN FD预计在未来几年将取代传统CAN；
• 首批支持CAN FD的汽车将于2019/20年上市；
• 最初推出可能会使用2Mbit/s，然后逐渐过渡到5Mbit/s的数据比特率 ；
• CANopen FD已通过CiA 1301 1.0进行了修改
• J1939-22使用CAN FD数据帧；
• CAN仍是一项成长中的技术，最近主要归功于CAN FD；
• 预计将来，CAN FD将用于大多数新的开发项目中…

CAN FD对比于其他协议产品
当然，没有带宽和有效负载要求的传统应用程序仍将使用经典CAN。 此外，CAN社区已经在开发下一代CAN数据链路层，支持高达2048字节的有效负载。 这种方法可以视为10 Mbit/s以太网的替代方法。 因此，仍然需要确定CAN FD在未来将扮演什么样的角色，但它肯定会不断成长和发展，同时也相信CAN FD的未来是光明的。