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。