CAN FD总线介绍 - 虹科智能互联

需要简单实用的CAN总线介绍吗？

在本页面中，我们将介绍CAN FD（CAN灵活数据速率），包括CAN FD帧、开销、效率、示例应用程序和日志记录用例。

虹科是一家在通讯领域，尤其是汽车电子和智能自动化领域拥有超过15年经验的高科技公司，在CAN总线技术领域已经有了超过10年的技术经验积累，并提供全面的软硬件解决方案，包括【CAN/CAN FD、LIN、车载以太网、TSN、IO-Link/IO-Link wireless、OPC UA、CANopen、PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT】等各类通讯协议的解决方案、测试方案、培训和开发服务等。

为什么选择CAN FD

CAN 协议自 1986 年以来一直存在，并且很受欢迎：今天几乎所有移动的机器都使用 CAN，无论是汽车、卡车、船只、飞机还是机器人。

但随着现代技术的兴起，“经典”CAN 协议（ISO 11898-1:2015 中使用的官方术语）受到压力：

车辆功能的增强正在推动数据爆炸
网络越来越受到 1 Mbit/s 带宽的限制
为了应对这种情况，原始设备制造商创建了复杂且成本高昂的解决方法

具体来说，传统 CAN 面临着巨大的开销 (>50%)，因为每个 CAN 数据帧只能包含 8 个数据字节。此外，网络速度仅限于 1 Mbit/s，限制了数据生成功能的实现。

CAN FD 解决了这些问题– 使其面向未来。

什么是CAN FD？

CAN FD协议由博世（与行业专家）预先开发并于2012年发布。它通过标准化得到改进，现已纳入ISO 11898-1:2015。原博世 CAN FD 版本（非 ISO CAN FD）与 ISO CAN FD 不兼容。

CAN FD具有以下四大优势：

实际上，与传统 CAN 相比，CAN FD 可以将网络带宽提高3-8 倍，从而为数据增长提供简单的解决方案。

CAN FD如何工作？

所以 CAN FD 看起来很简单：加快数据传输速度并将更多数据打包到每个消息中，对吗？

然而，在实践中，事情并不是那么简单。下面我们概述了 CAN FD 解决方案必须解决的主要挑战。

两个关键挑战

在查看 CAN FD 数据帧之前，了解我们想要维护的经典 CAN 的两个核心部分至关重要：

#1 避免严重的消息延迟

为什么不简单地用 64 字节数据打包经典 CAN 帧呢？

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，这也会使 CAN 总线阻塞更长时间，从而可能延迟关键任务的高优先级数据帧。

#2 保持实用的 CAN 线长度

因此，需要更高的速度来发送每条消息更多的数据。

但为什么不加速整个 CAN 消息（而不仅仅是数据阶段）呢？

这是由于“仲裁”：如果2个以上节点同时传输数据，则仲裁决定哪个节点优先。 “获胜者”继续发送（没有延迟），而其他节点在数据传输过程中“后退”。

关于位时间

在仲裁期间，“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。为了确保在位时间内到达每个节点，以 1 Mbit/s 运行的 CAN 网络的最大长度需要为 40 米（实际上为 25 米）。加快仲裁过程会将最大长度减少到不合适的水平。

另一方面，仲裁之后有一条“空高速公路”——在数据传输期间实现高速（当只有一个节点驱动总线时）。在 ACK 时隙之前 – 当多个节点确认数据帧的正确接收时 – 速度需要降低到标称比特率。

总之，需要找到一种只在数据传输过程中提高速度的方法。

CAN FD帧

CAN FD 协议引入了调整后的 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 11 位经典 CAN 帧与 11 位 CAN FD 帧（也支持 29 位）：

下面我们逐步分析一下差异：

CAN FD帧字段解释

RTR 与 RRS：传统 CAN 中使用远程传输请求 (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) 始终占主导地位 (0)。

r0 与 FDF：在经典 CAN 中，r0 是保留且占主导地位的 (0)。在CAN FD中，它被命名为FDF和隐性(1)。

在r0/FDF位之后，CAN FD协议添加了“3个新位”。请注意，不支持 CAN FD 的节点会在 FDF 位后生成错误帧。

res：这个新的保留位与 r0 起着相同的作用 – 即它将来可能被设置为隐性（1）以表示新协议。

BRS：比特率开关(BRS) 可以占主导地位(0)，这意味着CAN FD 数据帧以仲裁速率（即最大1 Mbit/s）发送。将其设置为隐性 (1) 意味着数据帧的剩余部分以更高的比特率（高达5 Mbit/s）发送。

ESI：错误状态指示符(ESI) 位默认为显性位(0)，即“错误活动”。如果发送器变为“错误被动”，它将呈隐性 (1)，表明其处于错误被动模式。

数据长度 DLC CAN 总线灵活的数据速率

DLC：与经典 CAN 一样，CAN FD DLC 为 4 位，表示帧中的数据字节数。上表显示了两种协议如何一致地使用最多 8 个数据字节的 DLC。为了维持 4 位 DLC，CAN FD 使用 9 到 15 之间的其余 7 个值来表示使用的数据字节数（12、16、20、24、32、48、64）。

CAN FD 帧 SBC CRC ACK 尾部数据

SBC：填充位计数（SBC）位于 CRC 之前，由 3 个格雷编码位和一个奇偶校验位组成。下面的固定填充位可以被视为第二奇偶校验位。添加SBC是为了提高通信可靠性。

CRC：循环冗余校验 (CRC) 在经典 CAN 中为 15 位，而在 CAN FD 中为 17 位（最多 16 个数据字节）或 21 位（针对 20-64 个数据字节）。在经典CAN中，CRC中可以有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。

ACK： CAN FD 数据帧的数据阶段（也称为有效负载）在 ACK 位处停止，这也标志着潜在增加的比特率的结束。

CAN FD与CAN的开销和数据效率

显然，与传统 CAN 相比，CAN FD 的附加功能增加了许多额外的位 – 这如何能减少开销？

答案是不会 – 请参阅以下 3 个数据字节的经典 CAN 与 CAN FD 的可视化结果。事实上，直到跨越8个数据字节时，CAN FD的效率才超过经典CAN。然而，通过转向 64 个数据字节，效率可以从 ~50% 提高到 ~90%（更多信息见下文）。

极品速度：开启比特率切换

如前所述，以常规速度发送 64 个数据字节会阻塞 CAN 总线，从而降低实时性能。

为了解决这个问题，可以启用比特率切换，以允许以高于仲裁速率的速率发送有效负载（例如，5 Mbit/s 与 1 Mbit/s）。上面我们直观地展示了 3 个数据字节和 64 个数据字节场景的效果。

请注意，较高的速度适用于以 BRS 位开始并以 CRC 定界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，这意味着使用 5 Mbit/s CAN FD 将使有效负载传输速度提高 10 倍。

混合传统CAN和CAN FD节点

如前所述，经典 CAN 和 CAN FD 节点在某些条件下可以混合使用。这允许逐步迁移到 CAN FD，而不必一次性切换每个 ECU。

存在两种情况：

100% CAN FD 系统：这里，CAN FD 控制器可以自由混合经典 CAN 和 CAN FD 数据帧。

一些节点是传统的经典 CAN：在这里，CAN FD 控制器可以切换到经典 CAN 通信，以避免来自经典 CAN 节点的错误帧反应。此外，例如在 ECU 刷新期间，经典 CAN 节点可能会关闭以允许暂时切换到 CAN FD 通信。

CAN FD的最大比特率是多少？

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，实际应用最高可达 8 Mbit/s，理论上可达 15 Mbit/s。其他人则表示高达12 Mbit/s。此外，戴姆勒表示，超过 5 Mbit/s 是值得怀疑的– 一方面是因为对此没有标准，另一方面是因为低成本汽车以太网 (10 BASE-T1) 预计将限制对更高速度 CAN FD 的需求。

那么什么是正确的呢？

这取决于。查看 ISO 11898-2（收发器芯片标准），它指定了两个对称参数集。建议使用具有改进的对称参数的收发器，通常宣传为 5 Mbit/s 收发器。可实现的数据相位比特率取决于许多因素。最重要的因素之一是所需的温度范围。 ECU的刷新不需要低温的支持。这意味着 ECU 刷新的速度可以达到 12 Mbit/s。另一个重要的比特率限制是由所选拓扑引起的。与具有长短截线甚至星形的混合拓扑相比，具有非常短短截线的总线拓扑可显着提高比特率。大多数多点总线网络在 -40 ℃ 至 +125 ℃ 的温度范围内仅限于 2 Mbit/s。 CiA 在 CiA 601-3 网络设计建议中提供了适当的经验法则。这包括在数据阶段设置采样点的建议。