一文搞懂 CAN FD 总线协议帧格式

假期更新了一文搞懂CAN总线协议帧格式，CAN FD总线协议怎能错过？本篇博文将讲解CAN FD总线协议帧格式。

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1、为什么会出现CAN FD？

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。

2、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。

3、CAN FD和CAN总线协议帧异同

CAN FD和CAN总线协议帧格式如下所示：

​CAN FD和CAN总线协议帧不同点如下所示：

1、传输速率不同

CAN FD的速率可变，从控制场中的BRS位到ACK场之前(含CRC分界符)为可变速率，最高速率可达到8Mbps，其他部分与CAN相同。

2、数据长度不同

CAN FD支持的最大数据长度为64byte，CAN支持的最大数据长度为8byte。

3、帧格式不同

CAN FD新增了FDF、BRS、ESI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)。

4、ID长度不同

CAN FD标准帧ID长度可扩展至12bit，CAN的标准帧ID为11bit。

4、解析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。

​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。

4.1、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。

4.2、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。

4.3、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)。

4.4、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)。

4.5、CRC段

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。

4.6、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。

4.7、帧结束

与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位。

5、CAN FD的改进

CAN FD采用了两种方式来提高通信的效率：一种方式为缩短位时间提高位速率；另一种方式为加长数据场长度减少报文数量降低总线负载率。

CAN FD在 CRC 校验段采用了三种多项式来保证高速通讯下的数据可靠性。

1、缩短位时间提高位速率

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。

从控制段中的 BRS 位到 ACK 段之前(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、加长数据段长度减少报文数量降低总线负载率

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。

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 时则有一个非线性的增长，最大的数据场长度可达 64 字节。如下所示为 DLC 数值与字节数的非线性对应关系。

3、CRC校验段

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”，由于 DLCs 的长度不同，在 DLC 大于 8 个字节时，CAN FD选择了两种新的 BCH 型 CRC 多项式，从而降低了未被检测到的错误的风险。

6、如何从传统的CAN升级到CAN FD

尽管 CANFD 继承了绝大部分传统 CAN 的特性，但是从传统 CAN 到 CANFD 的升级， 我们仍需要做很多的工作。

1、在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要选取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收发器，还要选取新的网络调试和监测工具。

2、在网络兼容性方面，对于传统 CAN 网段的部分节点需要升级到 CANFD 的情况要特别注意，由于帧格式不一致的原因，CANFD 节点可以正常收发传统 CAN 节点报文，但是传统 CAN 节点不能正常收发 CANFD 节点的报文。

CAN FD 协议是 CAN-BUS 协议的最新升级，将 CAN 的每帧 8 字节数据提高到 64 字节，波特率从最高的 1Mbps 提高到 8-15Mbps，使得通讯效率提高 8 倍以上，大大提升了车辆的通讯效率。此项技术一直被欧美企业垄断，直至 2016 年，中国 CAN-BUS 领导者—广州致远电子股份有限公司，基于拥有完全知识产权的 CAN FD IP 核代码，研制出中国第一款 CAN FD 接口卡，使中国的总线技术水平与世界最高水平同步。