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车载总线 | CANFD的详细介绍

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前言:之前在CAN的详细介绍里介绍了CAN的基础知识,但由于CAN总线存在通讯速率低、报文头过长,刷新速率低等缺点。为解决这些问题CAN FD应运而生。

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一、CAN FD简介
CAN FD(CAN with Flexible Date rate)即“可变速率的CAN”,支持更快的数据传输速率和更大的数据负载。是CAN总线的进化版,可用于支持更高带宽的应用。例高级驱动辅助系统(ADAS)和无人驾驶系统(AV)(注:CAN FD较CAN只升级了协议,物理层没有改变。)

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二、为什么需要CAN FD?
1.主要原因:汽车功能越来越多,越来越复杂,传统的CAN总线(CAN2.0)的负载率越来越高,甚至负载率高达95%。
2.传统CAN的局限:

传输率最大为1Mbit/s(典型≤500Kbit/s),车载领域实际使用速率最高为500Kbit/s,无法满足越来越高的数据吞吐量。

传统CAN数据帧超过50%的额外开销(overhead>50%)

每帧报文有效数据场为8字节,仅占整帧报文信息不足50%

性能上难以应对FlexRay、Ethernet等新型车载总线的威胁。

3.CAN FD的主要特征:
CAN FD发扬CAN的优点,弥补了CAN的不足。
采用与CAN通信相同的事件触发模式,软件容易开发和移植。
最高数据传输速率达5Mbit/s,更好地满足要求高实时性高数据传输速率的应用
每帧报文有效数据场为64字节,占整帧报文信息超过70%
相比FlexRay、Ethernet等新兴总线成本更低。

4.历史因素:汽车不可能直接放弃目前的传统CAN总线技术,那么为了解决CAN总线负载率问题的同时又能兼容CAN总线,且研发成本不能太高的问题,2015年最新的修订版ISO 11898-1(classic CAN和CAN FD)发布。

三、CAN FD与CAN总线的对比
(1)CAN与CAN FD主要区别:传输速率不同、数据域长度不同、帧格式不同、ID长度不同。

1、可变速率:CAN FD采用了两种位速率,从控制场中的BRS位到ACK场之前(含CRC分界符)为可变速率,其余部分为原CAN总线用的速率。

2、数据场长度增加:CAN FD对数据场的长度做了很大扩充,DLC最大支持64bytes,在DLC小于或等于8bytes时与原CAN总线是一样的,因为大于8时有非线性增长,所以最大数据场长度可达64。

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四、CAN FD数据帧

对比传统CAN的数据帧,CAN FD在控制场新添加EDL位、BRS位、ESI位,采用了新的DLC编码方式、新的CRC算法(CRC场扩展到21位)

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CAN标准帧和CAN FD标准帧对比图
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CAN扩展帧和CAN FD扩展帧对比图
1. SOF(Start of frame)
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帧起始,传统CAN的数据帧起始位和CAN FD的数据帧起始位SOF是一样的,用于标识一个数据帧的开始,是一个显性位,只有当总线空闲时候节点才能够发送SOF。

2.ID:
标识符,用于确定报文的ID,确定报文的仲裁优先级,ID数值越小,优先级越高。

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CAN标准帧ID长度最长11bit,CAN FD标准帧ID长度可扩展到12bit。
3.RRS:
CAN FD用RRS bit(始终为显性位“0”),对应传统CAN报文的RTR
4.IDE:
用于区分CAN FD的扩展帧和标准帧(CANFD有两种格式)标准帧IDE=0;扩展帧IDE=1
5.FDF
用于区分普通CAN报文和CAN FD报文。CAN报文,FDF=0;CAN FD报文,FDF=1
6.res
保留位,当前为0
7.BRS (Bit Rate Switch)
时钟频率的切换,CAN FD主要特点是双速率,双速率就是在BRS切换的,BRS=1,进行速率切换;BRS=0,不进行速率切换
8.ESI (Error State Indicator) 
总线的错误状态指示,ESI=0,处于主动错误状态的节点;ESI=1,处于被动错误状态的节点
9.DLC数据长度
表示数据场包含数据的字节数,CAN支持8bytes,而CANFD最多支持64bytes

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10.DATE Field数据场
具有0-64个字节长度,由DLC确定,包含数据帧发送的内容
11.CRC(Cyclic Redundancy Check)循环校验

①CRC-stuff count

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CAN FD在安全性上有了提高,为避免位填充对CRC的影响,CAN FD在CRC场中增加了stuff count记录填充位的个数对应8的模,并用Grey你Code表示,还增加了奇偶效验位。FSB(fixed stuff-bit)固定为前一位的补码。
·stuff count由以下两个元素组成:
格雷码计算:CRC区域之前的填充位数除以8,得到余数(stuff bit count modulo 8)进行格雷码计算得到的值(bit 0-2)

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奇偶效验:通过格雷码计算后的值的奇偶校验

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②CRC
随着数据场的扩大,为保证信息发送的质量。CAN FD的CRC计算不仅要包括数据段的位,还要包括来自SOF的Stuff Count和填充位。通过比较CRC的计算结果,可以判断接收节点是否能够正常接收。
在CAN中,CRC的位数是15位,而在CAN FD中,CRC场扩展到了21位。
当传输数据为16字节或更少时:CRC 17位
当传输数据超过16个字节时:CRC 21位
③CRC界定符
CRC界定符是表示CRC校验场的结束,是一个1位的常态隐性位。但在CAN FD中,考虑到节点之间的位的距离,在接收端允许最大2位时间。CAN FD帧的数据场(可变速段)是CRC界定符的第一位采样点。
12.ACK应答场

CAN FD的ACK应答场包括应答间隙和应答界定符,构成和CAN相同。不同的是,CAN应答场长度是1位,CAN FD接收节点利用2位时间将其识别为有效应答。

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确定报文被至少一个节点正确接收,发送节点发送隐性位,接收节点正确接收后发送显性。

13. EOF(End of frame)
结束标识符,表示数据帧结束。在CAN/CAN FD中是固定格式都是7个连续的隐性位“1”


(3)CAN FD与其他帧格式的不同

CAN FD对比Flexray的优势:

①CAN FD的开发成本远低于Flexray;

②Flexray对ECU升级刷写不友好。

CAN FD对比以太网的优势:

①CAN FD的开发成本远低于以太网;

②以太网优势在于大数据的传输但不能完全适用于当前汽车架构。


(4)CAN FD的优点

多个ECU之间通信效率及速度提高30倍
可向下兼容
允许单个报文搭载更多的数据
提高网络带宽
提高协议效率
降低协议损耗
 可在较快和较慢的数据速率之间灵活切换
通过先进的CRC减少了未检测到的错误数量
简化处理,更具可靠性

(5)CAN FD与CAN性能对比

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