CAN FD总线技术详解：原理、应用与未来展望

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CAN FD总线技术详解：原理、应用与未来展望

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来源

http://www.intelnect.com/knowhow/can-fd-intro/

CAN FD（Controller Area Network Flexible Data-rate）是CAN总线技术的升级版本，通过增加数据帧长度和提高传输速度，解决了传统CAN总线在现代应用中遇到的带宽瓶颈问题。本文将详细介绍CAN FD的技术特点、工作原理及其在汽车、工业自动化等领域的应用前景。

为什么选择CAN FD

CAN协议自1986年问世以来一直广受欢迎，几乎所有的移动设备（如汽车、卡车、船只、飞机和机器人）都在使用CAN总线。然而，随着现代技术的发展，传统CAN协议面临着以下挑战：

车辆功能的增强导致数据量激增
网络带宽限制在1 Mbit/s
为应对数据增长，原始设备制造商不得不采用复杂且成本高昂的解决方案

传统CAN协议的主要问题是巨大的开销（>50%），因为每个数据帧只能包含8个字节的数据。此外，1 Mbit/s的网络速度限制了数据生成功能的实现。

什么是CAN FD？

CAN FD协议由博世公司与行业专家共同开发，并于2012年发布。经过标准化改进后，现已纳入ISO 11898-1:2015标准。需要注意的是，原博世CAN FD版本与ISO CAN FD不兼容。

CAN FD具有以下四大优势：

长度增加：支持每个数据帧最多64个数据字节，而传统CAN仅支持8个数据字节。这减少了协议开销并提高了协议效率。
速度提高：支持双比特率。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，最高可达5 Mbit/s。
更好的可靠性：使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，降低了未检测到错误的风险。这对于车辆和工业自动化等安全关键型应用至关重要。
平滑过渡：CAN FD和经典CAN ECU在某些条件下可以混合使用。这样可以逐步引入CAN FD节点，大大降低OEM的成本和复杂性。

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

CAN FD如何工作？

虽然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，但在实践中，事情并不那么简单。主要面临以下两个关键挑战：

避免严重的消息延迟：如果简单地用64字节数据打包经典CAN帧，虽然可以减少开销并简化消息解释，但也会使CAN总线阻塞更长时间，可能延迟关键任务的高优先级数据帧。
保持实用的CAN线长度：加快整个CAN消息（而不仅仅是数据阶段）会将最大长度减少到不合适的水平。因此，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。下面比较11位经典CAN帧与11位CAN FD帧（也支持29位）：

下面是各字段的详细解释：

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（0）。在CAN FD中，它被命名为FDF并隐性（1）。
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。
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）。
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。