全网唯一OpenCyphal/UAVCAN教程（10）canfd协议详解

OpenCyphal除了支持can 2.0 B，还支持canfd扩展协议。所以先学习下canfd协议。

文章目录

1、CAN-FD协议特性
2、CAN-FD帧结构分析

1、CAN-FD协议特性

随着电动汽车，无人驾驶汽车技术的快速发展，以及对汽车高级驾驶辅助系统和人机交互的增加，传统的CAN总线在传输速率和带宽等方面越来越显得力不从心，因此改进版的CAN总线应运而生。

普通can主要有以下几方面不足：

（1）最高数据传输速率限制为1 Mbit/s，车载领域实际使用速率最高为500 Kbit/s，无法满足越来越高的数据吞吐量需求；

（2）每帧报文有效数据场为8 字节，有效负载比率不足50%；

（3）性能上难以应对Flexray、Ethernet 等新型车载总线的威胁。

市场对提升CAN 总线性能的强烈需求使CAN-FD （CAN with Flexible Data rate）应运而生，CAN-FD发扬了CAN 的优点，并弥补了CAN 的不足，其主要特性如下：

（1）采用与CAN 通信相同的事件触发模式，软件容易开发和移植；

（2）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；

（3）每帧报文有效数据场为64 字节，有效负载超过70%；

（4）相比Flexray、Ethernet 等新兴总线成本更低。

（5）CAN-FD标准向下兼容CAN2.0A/B标准，CAN-FD节点可以与现存的CAN2.0协议的节点进行通信，当然在这点情况下不能够使用CAN-FD帧。这种兼容性为了CAN2.0设备能够平滑地过渡到CAN-FD功能的硬件上。所以，我们对CAN-FD有了另一种说法，为“CAN3.0”。

CAN-FD比CAN总线的带宽更高，具有与CAN总线相似的控制器接口，这种相似性使ECU供应商不需要对ECU的软件部分做大规模修改，降低了开发难度和成本。CAN-FD是CAN总线的升级换代设计，它继承了CAN总线的主要特性，**提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变。**CAN-FD协议充分利用CAN总线的保留位进行判断以及区分不同的帧格式。在现有车载网络中应用CAN-FD协议时，需要加入CAN-FD控制器，但是CAN-FD也可以参与到原来的CAN通信网络中，提高了网络系统的兼容性。

2、CAN-FD帧结构分析

canfd也分标准帧和扩展帧两种。

CAN-FD仅定义了数据帧，与传统CAN相比，取消了远程帧的支持。原因是在没有数据的情况下，远程帧没有必要改变数据段的比特率。
与CAN一样，数据帧分为“标准帧（11位ID）”和“扩展帧（29位ID）”格式。从BRS（Bit Rate Switch）到CRC分界符之间为可变速率。绿色表示与CAN的传输速度相同，黄色表示可加速传输速度。

标准帧

备注：r1，r0表示保留位，有些地方r1写为RRS，远程请求替代位。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3ybiwxA6-1646140900048)(/home/syrius/.config/Typora/typora-user-images/image-20220228153341987.png)]

**SOF（Start Of Frame）**帧起始

在SOF，CAN FD与CAN相同，仅有1bit的“显性”位。只有总线空闲时才允许节点发送信号，发送时，SOF将总线从隐性（1）改变为显性（0），所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。对于SOF的定义，CAN FD和CAN是相同的。

仲裁场

CAN FD的仲裁场是由Identifier识别符和RRS位构成。CAN FD 与 CAN 相同的地方是，都有Identifier识别符，可用于区别消息的同时又可以表示消息的优先级。不同的是，在CAN FD中使用的RRS位，而CAN中使用的是RTR位。

RRS位（Remote Request Substitution）远程请求替换位：即传统CAN中的RTR位

与传统CAN相比，CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，为常显性。

控制场

CAN-FD新增了FDF、BRS、ESI位。

IDE（Identifier Extension）扩展帧标志：显性（0）=11位ID，隐性（1）=29位 ID。

FDF：对应原来can帧的保留位r，表示CAN报文还是CAN-FD报文。

BRS(Bit Rate Switch)：表示位速率转换开关，该位隐性时，速率可变（即BSR到CRC使用转换速率传输），该位为显性时，以正常的CAN-FD总线速率传输（恒定速率）。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，即仲裁段和数据控制段使用标准的通信波特率，而数据传输段时就会切换到更高的通信波特率，数据传输速率可大于。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。

ESI(Error State Indicator)错误状态指示，主动错误时发送显性位，被动错误时发送隐性位。

DLC字段

DLC为data lenght content的缩写，用于表示DATA数据场的字节数。

CAN-FD一帧最多可以传输64个字节，因此DLC将重新定义CAN-FD的数据长度，值的范围将由原来的0000b_{1000b（覆盖8个字节）扩大至0000b}1111b以满足需求，如图所示为DLC数值与字节数的对应关系。

在数据场长度为0-8个字节时，采用线性规则；数据场长度为12-64字节时，使用非线性编码。

位填充法

CRC校验场的第一位以及往后每间隔4位添加一个固定填充位。插入的填充位个数是经过格雷码计算转换后的值，并且用奇偶校验位保护（Stuff Count）。
在CRC校验场中，填充位被放置在固定的位位置，这称为固定填充位（Fixed Stuff Bit FSB）。固定填充位的值是上一位的反码。

CRC-stuff count

CAN FD还在安全性上有了提高。为了避免位填充对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（占用3位），并用Grey Code表示，还增加了1位奇偶校验位，所以Stuff Count总共占据4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，得到的余数（Stuff bit count modulo 8）进行格雷码计算得到的值（Bit0-2）
奇偶校验：通过格雷码计算后的值的奇偶校验（偶校验Bit3）

格雷码

CRC
随着数据场的扩大，为了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。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OQ2pYRYX-1646140900050)(/home/syrius/.config/Typora/typora-user-images/image-20220228151805903.png)]在CAN中，CRC的位数是15位，而在CAN FD中，CRC场扩展到了21位，详见以下：
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

CRC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。但是，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。

ACK应答场
CAN FD的ACK应答场包括应答间隙和应答界定符，其构成和CAN是相同的。不同的是，在CAN中，应答场的长度是1位，但在CAN FD，接收节点利用2位时间将其识别为有效应答。
由从高速的数据场到慢速的仲裁场时，时钟切换会引起收发器相移和总线传播延迟。为了补偿其相移和延迟，相比传统的CAN，在CAN FD中多加了这额外的1位时间。在ACK之后，发送ACK界定符。这是一个表示ACK结束的分隔符，为是1位隐性位。

帧结尾

每一个数据帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7个“隐性”位组成。CAN FD的帧结尾与CAN相同。

有关CRC的ISO CAN FD、non-ISO CAN FD兼容性问题
当前CAN FD协议有两个版本,为提高故障(错误)检测能力，新版本特别引入了一个3位填充位计数器和一个额外的奇偶校验位。此外，CRC计算方法也发生了变化。这些改进使最新的CAN FD协议与博世(BOSCH)开发的原始CAN FD协议不兼容。负责ISO的工作组已完成其文件，并已将其提交给DIS(国际标准草案)在进行投票程序。
为了避免误解，CiA建议使用术语“ISO CAN FD”和“non-ISO CAN FD”。所有符合ISO 11898-2:2015的产品都应称为“ISO CAN FD”。执行博世(BOSCH)原始CAN FD协议的产品应命名为“non-ISO CAN FD”，在这个过度阶段的产品主要目的是用于前期评估和开发,将来所有产品都将符合ISO标准。
请注意，早前一些供应商提供的组件或者工具是针对non-ISO CAN FD协议的，包括目前在售的部分CAN FD产品，CiA建议仅使用ISO CAN FD产品进行设计和开发，不过你可继续使用non-ISO CAN FD做评估和前期开发，因为协议的改变对于用户界面是不可见，但注意的是不能同一个网络混用non-ISO CAN FD和ISO CAN FD接口设备，这样会造成CAN总线错误无法完成发送和接收，如果仅仅是发送或接收传统的CAN帧将不会受到任何影响，幸运的是部分设备供应商提供的组件或者工具允许用户选择支持ISO或者non-ISO模式，这样能很好地在过渡时期帮助你完成工作。

CAN-FD保留了所有的CAN错误界定机制，包括错误帧、错误计数器、主动错误/被动错误状态等。