內容提要
引言
1. CAN-FD總線協議概述
2. CAN-FD的仲裁場(Arbitration Field) &控制場(Control Field)
3. CAN-FD的CRC場(CRC Field)
4. CAN2.0A/B(Classic CAN) vs. CAN-FD 傳輸效率
5. CAN-FD與CAN2.0 A/B節點共同組網要求
總結
參考文檔
引言
上篇公衆號文章(點擊文章標題即可直接跳轉閱讀)--《細說汽車電子通信總線之CAN 2.0 總線協議詳解》詳細介紹了目前汽車電子ECU中使用最爲廣泛的傳統CAN 2.0 A/B總線協議。
但是隨着汽車電子的日益發展，尤其是汽車智能化(Autonomy，自動駕駛技術)、電氣化(Electrification，零排放、跟嚴格的排放標準，e.g 國VI，新能源電動車或者氫能源車)和互聯化(Connectivity，車聯網， V2V，V2X等)，對汽車電子通信總線的帶寬提出了更高的要求。
傳統CAN 2.0 A/B總線協議已經很難滿足汽車電子的發展需求，因此，一種能夠與CAN 2.0 A/B兼容，但通信速率更高，有效載荷更高的CAN總線--CAN-FD總線協議應用而生。
本文就給大家詳細介紹一下CAN-FD總線協議，希望對大家有所幫助。
1. CAN-FD總線協議概述
由於汽車行業的帶寬要求，需要改進CAN數據鏈路層協議。2011年，博世與汽車製造商和其他CAN專家密切合作，啓動了CAN FD(Flexible Data rate，靈活數據速率)開發。
改進的CAN-FD總線協議克服了CAN 2.0的限制：可以比1 Mbit/s更快地傳輸數據(CAN-FD的數據場傳輸數據率可高達8MBbit/s)，並且每幀CAN報文的有效載荷(payload數據字段)不再限於8字節(CAN-FD的數據場長度最大可支持到64字節)。
CAN-FD和CAN主要的區別有兩點：
1、可變速率
CAN-FD採用了兩種位速率：從控制場中的BRS位到ACK場之前（含CRC分界符）爲可變速率，其餘部分爲原CAN總線用的速率。兩種速率各有一套位時間定義寄存器，它們除了採用不同的位時間單位TQ外，位時間各段的分配比例也可不同。
2、新的數據場長度
CAN-FD對數據場的長度作了很大的擴充，DLC最大支持64個字節，在DLC小於等於8時與原CAN總線是一樣的，大於8時有一個非線性的增長，所以最大的數據場長度可達64字節。
CAN FD協議控制器兼容支持傳統CAN 2.0 A/B幀。兩種CAN協議(CAN 2.0和CAN FD)在ISO 11898-1：2015中都是國際標準化的。具有11位標識符的CAN FD數據幀使用FBFF(FD基本幀格式)，具有29位標識符的CAN FD數據幀使用FEFF(FD擴展幀格式)。CAN FD協議不支持遠程請求的數據幀。
2. CAN-FD的仲裁場(Arbitration Field) &控制場(Control Field)
CAN-FD的仲裁場(Arbitration Field) 與CAN 2.0 A/B兼容：
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IDE(Identifier Extension Flag)-bit: 用於標識使用擴展ID還是標誌ID幀；
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RRS(Remote Request Substitution)-bit: 用於控制遠程請求訂閱；
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SRR(Substitute Remote Request)-bit: 用於控制訂閱遠程請求；
這意味着CAN-FD也是可以支持標準ID和擴展ID的，但其沒有RTR(RemoteTransmission Request)-bit，因此不支持遠程幀。
CAN-FD的控制場(Control Field) 在CAN 2.0 A/B的基礎上，擴展了FDF(FlexibleData Format)，以標識是否爲CAN-FD幀(FDF=1)；並增加了EDL(Extended DataLength)擴展數據長度標識位、BRS(Bit Rate Switch)數據場比特率切換控制位和ESI(ErrorStatus Indicator)錯誤狀態指示位：
CAN-FD爲了保持與CAN 2.0的兼容，雖然DLC(Data Length Control)數據長度控制位依然保持爲4-bit，但增加了12/16/20/24/32/48/64選項：
3. CAN-FD的CRC場(CRC Field)
CAN FD節點對不同的幀格式使用不同的CRC生成多項式。第一個多項式CRC_15用於CAN格式的所有幀。第二個CRC_17用於CAN FD格式的幀，DATA FIELD最長爲16個字節。第三個CRC_21用於CAN FD格式的幀，DATA FIELD長度超過16個字節。每個多項式保證HD = 6的漢明距離；
4. CAN2.0A/B(Classic CAN) vs. CAN-FD 傳輸效率
爲了對CAN-FD相較於傳統CAN2.0總線的傳輸效率有一個比較直觀的認識，本小節就以一個實際的應用案例介紹這兩種CAN總線的傳輸效率計算方法和結果對比：
當CAN 2.0A/B工作在高速CAN模式(波特率爲500Kbit/s)，數據場長度爲8Byte(64bit),其傳輸效率爲58%，平均速率0.5Mbit/s；
配置與其兼容的CAN-FD，設置幀頭波特率爲500Kbit/s，數據場長度爲64Byte(512bit)，波特率爲8Mbit/s，其傳輸效率高達90%，平均速率爲4.5Mbit/s；
不同的數據長度和通信波特率，CAN總線的傳輸效率有所差異，如下圖所示：
Tips：以上數據是通過工具CAN FD Efficiency Calculator根據用戶輸入自動計算，我已將該工具分享到如下百度雲盤，感興趣的讀者可以自行下載使用(鏈接僅7天有效期)
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鏈接: https://pan.baidu.com/s/158qybdxzGavhWI3ocT4oeg
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5. CAN-FD與CAN2.0 A/B節點共同組網要求
根據CAN-FD協議，其與CAN 2.0A/B兼容，即支持CAN-FD的節點也是可以支持發送CAN 2.0 A/B報文幀的；
因此在同一個CAN總線通信網絡中，允許同時存在CAN-FD節點和CAN 2.0 A/B節點：
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CAN-FD節點可以接收和發送 CAN-FD和CAN 2.0 A/B報文，通過每一幀CAN報文的控制場自動識別；
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CAN 2.0 A/B節點無法發送和接收CAN-FD報文，所以必須使用帶有CAN-FD屏蔽(shield)的CAN收發器，才能夠保證正常工作，否則會檢測到總線錯誤；
比如，如下的一個汽車電子CAN網絡中，包含了2個CAN-FD ECU節點和2個傳統CAN 2.0 ECU節點，爲了保證網絡正常工作，需要在2個傳統CAN 2.0 ECU節點使用CAN-FD屏蔽的收發器：
CAN-FD節點可以正常收發CAN2.0和CAN-FD報文幀：發送CAN-FD報文幀時，其控制場的FDF=1,標識該幀數據爲CAN-FD，同時BRS根據需求設置，從而實現數據場傳輸數據率的切換：
CAN 2.0節點由於使用了CAN-FD屏蔽的收發器，在CAN-FD節點發送CAN-FD數據報文幀時，會在物理層檢測到FDF=1，進而給節點MCU發送6-bit 顯性位，製造填充錯誤(stuff error), 然後產生被動錯誤標誌幀，但是不會影響其他的CAN網絡節點正常收發CAN-FD報文幀數據：
CAN-FD屏蔽收發器將在CAN-FD報文幀的ACK場釋放與MCU連接的RXD引腳，從而RXD可以正常響應總線：
Tips：由於之前量產的汽車MCU集成的CAN控制器都不支持CAN-FD，而考慮到成本和技術發展路線，整車的所有CAN ECU節點不可能一下子全部升級到支持CAN-FD，因此，CAN 2.0與CAN-FD節點共存於同一個CAN通信網絡的情況在接下來若干年汽車CAN總線網路向CAN-FD升級過程中將是比較常見的。
總結
本文詳細介紹了最新的CAN-FD總線協議的優勢和與CAN 2.0 A/B協議的兼容/差異實現細節--仲裁場(Arbitration Field)、控制場(Control Field)和增強的CAN-FD的CRC場(CRC Field)，並以一個實際案例分析了CAN2.0A/B(Classic CAN) vs. CAN-FD 傳輸效率計算和結果比較，最後還介紹了在傳統CAN 2.0 網絡向CAN-FD升級過程中如何實現CAN-FD與CAN2.0 A/B節點共同組網。
參考文檔
CAN FD-The basic idea：https://www.can-cia.org/can-knowledge/can/can-fd/
CAN FD-Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/CAN_FD