CAN FD网络中每秒最多可以发送多少帧报文?

目录

1、什么是CAN FD?

2、CAN FD帧结构

2.1、帧起始

2.2、仲裁段

2.3、控制段

2.4、数据段 

2.5、CRC段

2.6、ACK段

2.7、帧结束

3、一帧CAN FD报文位数

4、仲裁域和数据域位数

5、位填充

6、不同类型报文位数

7、CAN FD报文时间计算


随着总线技术在汽车电子领域越来越广泛和深入的应用,特别是自动驾驶技术的迅速发展,汽车电子对总线宽度和数据传输速率的要求也越来也高,传统CAN(1MBit/s,8Bytes Payload)已难以满足日益增加的需求。

因此在2012年,Bosch发布了新的CAN FD标准 (CAN with Flexible Data Rate) ,CAN FD继承了CAN的绝大多数特性,如同样的物理层,双线串行通信协议,基于非破坏性仲裁技术,分布式实时控制,可靠的错误处理和检测机制等,同时CAN FD弥补了CAN在总线带宽和数据长度方面的不足。

2015年6月30日,国际标准化组织(ISO)已经正式认可CAN FD,并无反对票通过ISO 11898-1作为国际标准草案。

1、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。一开始的Bosch CAN FD版本(非ISO CAN FD)与ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4个主要优点:

1、增加了数据的长度

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。

2、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。

3、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。

4、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。

2、CAN FD帧结构

CAN FD节点可以正常收、发CAN报文,但CAN节点不能正确收、发CAN FD报文,因为其帧格式不一致。

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与CAN一样,CAN FD一共具有:帧起始,仲裁段,控制段,数据段,CRC段,ACK段和帧结束,7部分组成。

2.1、帧起始

CAN与CANFD使用相同的SOF标志位来标志报文的起始。帧起始由1个显性位构成,标志着报文的开始,并在总线上起着同步作用。

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2.2、仲裁段

与CAN不同,CAN FD取消了对远程帧的支持,用RRS位替换了RTR位,为常显性。IDE用于区分标准帧和扩展帧。

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标准帧仲裁段由11位ID和r1位(显性)、IDE(显性)组成,总共13位。

扩展帧仲裁段由29位ID和SRR(隐性)、IDE(隐性)、r1位(显性)组成,总共32位。

  • SRR:替代CAN标准帧中的RTR位;
  • IDE:扩展帧标志位;
  • r1:保留位,为显性;

2.3、控制段

CAN FD与CAN有着相同的IDE、res和DLC位,同时增加了FDF、BRS、ESI三个bit位。

  • FDF 位(Flexible Data Rate Format):原 CAN 数据帧中的保留位 r。表示 CAN 报文还是 CAN-FD 报文,FDF 位常为隐性(1),表示 CAN FD 报文;
  • BRS 位( Bit Rate Switch):表示位速率转换,当 BRS 为显性位(0)时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致(恒定速率),当 BRS 为隐性位(1)时速率可变(即 BSR 到 CRC 使用转换速率传输);
  • ESI 位(Error State Indicator):发送节点错误状态指示,主动错误时发送显性位(0),被动错误时发送隐性位(1)。

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2.4、数据段 

CAN FD兼容CAN的数据格式,同时最大还能支持:12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

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。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)。 

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2.5、CRC段

传统CAN中的循环冗余校验(CRC)为15位,而在CAN FD中由固定填充位FSB(6/7位)、填充位计数(4位)、CRC(17/21位)和CRC界定符(1位)组成,总共28或33位组成。 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4个固定填充位以提高通信可靠性。

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固定填充位(FSB):CRC段中每4个位固定填充一个与上位相反的位。

  • 采用CRC17时,FSB为6个位;

  • 采用CRC21时,FSB为7个位。

填充位计数:由填充位计数(3位)和奇偶校验位(1位)组成。

CRC:

  • 报文长度小于16时,采用CRC17,17位组成;

  • 报文长度大于16时,采用CRC21,21位组成。

CRC界定符:固定为隐性位;从该位采样后,切换为仲裁域波特率。

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2.6、ACK段

ACK紧跟着CRC结束标识位。不同的是,CAN FD支持2bits的ACK的识别,由ACK位和ACK界定符位组成。

  • ACK:接收节点应答位,接收节点应应答显性位;

  • ACK界定符,固定为隐性。

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2.7、帧结束

与CAN一样,CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位。

3、一帧CAN FD报文位数

根据CAN FD帧结构组成,可以算出一帧CAN FD报文位数:

CAN FD报文位数 = 帧起始(1位)+ 仲裁段(13/32位)+ 控制段(8位)+ 数据段(0~512位)+ CRC段(28/33位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)

影响报文位数主要为仲裁段(帧ID长度)和数据段(CRC段受数据段长度影响)。通过帧类型、帧长度组合出不同情况报文位数:

  • 标准帧,数据0字节

    帧起始(1位)+ 仲裁段(13位)+ 控制段(8位)+ 数据段(0位)+ CRC段(28位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)= 59位

  • 标准帧,数据64字节

    帧起始(1位)+ 仲裁段(13位)+ 控制段(8位)+ 数据段(512位)+ CRC段(33位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)= 576位

  • 扩展帧,数据0字节

    帧起始(1位)+ 仲裁段(32位)+ 控制段(8位)+ 数据段(0位)+ CRC段(28位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)= 78位

  • 扩展帧,数据64字节

    帧起始(1位)+ 仲裁段(13位)+ 控制段(8位)+ 数据段(512位)+ CRC段(33位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)= 590位

4、仲裁域和数据域位数

由于CANFD采用了双波特率形式:标准波特率(也称仲裁域波特率)和数据域波特率,所以帧结构中不同段采用的波特率也不同。

  • 仲裁域波特率所占位数

    帧起始(1位)+ 仲裁段(13位)+ 控制段的EDL、r0、BRS(3位)+ ACK段(2位)+ 帧结束(7位)

  • 数据域波特率所占位数

    控制段的ESI、DLC(5位)+ 数据段(0~512位)+ CRC段(28/33位)

主要说明的是,BRS位和CRC界定符位均同时使用了两个波特率

  • BRS位:由**仲裁域波特率 * 仲裁域采样点 + 数据域波特率 * (1 - 仲裁域采样点)**组成;

  • CRC界定符:由**数据域波特率 * 数据域采样点 + 仲裁域波特率 * (1 - 数据域采样点)**组成;

此处将BRS认定采用仲裁域波特率、CRC界定符采用数据域波特率以方便计算。

5、位填充

当然,上述报文位数中,还未包含填充位个数。在CAN/CAN FD协议中规定:每5个相同的位就必须填充一个相反位,该位即为填充位。

我们知道字节0x55或0xAA,其二进制分别为0101 0101或1010 1010,也就是每个位与上一位均相反,若此时ID和数据均为0x55或0xAA,则可以使填充位个数最少。

同理,字节0xFF或0x00,其二进制位1111 1111或0000 0000,也就是所有位均一致,若此时ID和数据均为0x00或0xFF,此时报文的填充位个数最多。

6、不同类型报文位数

基于以上报文位数的计算,我们可以得出算出不同类型报文所占位数,如下表所示:

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从上表可知:

  • 当报文为CAN FD标准帧ID为0x555,数据长度为0时,报文位数最少,为59位;
  • 当报文为CAN FD扩展帧ID为0x0,数据长度为64字节,数据全为0xFF时,报文位数最多,为703位。

7、CAN FD报文时间计算

最后,可以根据波特率算出不同类型报文时间了,计算公式如下:

报文时间 = 仲裁域位时间 * 仲裁域位数 + 数据域位时间 * 数据域位数

以位数最少的CANFD报文为例,在仲裁域波特率为1Mbps(位时间1us),数据域波特率为5Mbps(位时间200ns)时,其报文时间 = 1us * 26 + 33 * 200ns = 32.6us。

那么一秒钟最多可以发送报文呢?由于报文发送成功后,需经过帧间隔(3个位)后才能发送下一帧报文,也就说仲裁段要在原来基础上加3个位,就可以算出每秒发送多少帧了。那么上述位数最少报文的发送时间耗时 = 1us * (26 + 3) + 33 * 200ns = 35.6us,也就是1秒钟最多可以发送1000000us / 35.6us = 28089帧报文。也就是说,1M/5M波特率下,发送CAN FD标准加速帧,最多可以发送28089帧。

下面我们给出一些常用波特率下,不同类型报文每秒最多可以发送的CANFD报文帧数(下表中报文BRS位为1,ESI位为0),供大家参考。

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