CAN FD網(wǎng)絡(luò)中每秒最多可以發(fā)送多少幀報(bào)文？

隨著總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)電子領(lǐng)域越來(lái)越廣泛和深入的應(yīng)用，特別是自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車(chē)電子對(duì)總線(xiàn)寬度和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來(lái)也高，傳統(tǒng)CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已難以滿(mǎn)足日益增加的需求。

因此在2012年，Bosch發(fā)布了新的CAN FD標(biāo)準(zhǔn) (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD繼承了CAN的絕大多數(shù)特性，如同樣的物理層，雙線(xiàn)串行通信協(xié)議，基于非破壞性仲裁技術(shù)，分布式實(shí)時(shí)控制，可靠的錯(cuò)誤處理和檢測(cè)機(jī)制等，同時(shí)CAN FD彌補(bǔ)了CAN在總線(xiàn)帶寬和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度方面的不足。

2015年6月30日，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已經(jīng)正式認(rèn)可CAN?FD，并無(wú)反對(duì)票通過(guò)ISO 11898-1作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案。

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什么是CAN FD？

CAN FD協(xié)議是由Bosch以及行業(yè)專(zhuān)家預(yù)研開(kāi)發(fā)的，并于2012年發(fā)布。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)已納入ISO 11898-1:2015。一開(kāi)始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

1、增加了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

CAN FD每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多支持64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，而傳統(tǒng)CAN最多支持8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。這減少了協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，并提高了協(xié)議效率。

2、增加傳輸?shù)乃俣?/p>

CAN FD支持雙比特率：與傳統(tǒng)CAN一樣，標(biāo)稱(chēng)（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數(shù)據(jù)比特率則取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?收發(fā)器。實(shí)際上，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)比特率。

3、更好的可靠性

CAN FD使用改進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和“受保護(hù)的填充位計(jì)數(shù)器”，從而降低了未被檢測(cè)到的錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。這在汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化等安全攸關(guān)的應(yīng)用中至關(guān)重要。

4、平滑過(guò)渡

在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統(tǒng)CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節(jié)點(diǎn)，從而為OEM簡(jiǎn)化程序和降低成本。

實(shí)際上，與傳統(tǒng)CAN相比，CAN FD可以將網(wǎng)絡(luò)帶寬提高3到8倍，從而為數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案。

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CAN FD幀結(jié)構(gòu)

CAN FD節(jié)點(diǎn)可以正常收、發(fā)CAN報(bào)文，但CAN節(jié)點(diǎn)不能正確收、發(fā)CAN FD報(bào)文，因?yàn)槠鋷袷讲灰恢隆?/p>

與CAN一樣，CAN FD一共具有：幀起始，仲裁段，控制段，數(shù)據(jù)段，CRC段，ACK段和幀結(jié)束，7部分組成。

2.1、幀起始

CAN與CANFD使用相同的SOF標(biāo)志位來(lái)標(biāo)志報(bào)文的起始。幀起始由1個(gè)顯性位構(gòu)成，標(biāo)志著報(bào)文的開(kāi)始，并在總線(xiàn)上起著同步作用。

2.2、仲裁段

與CAN不同，CAN FD取消了對(duì)遠(yuǎn)程幀的支持，用RRS位替換了RTR位，為常顯性。IDE用于區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。

標(biāo)準(zhǔn)幀仲裁段由11位ID和r1位（顯性）、IDE（顯性）組成，總共13位。

擴(kuò)展幀仲裁段由29位ID和SRR（隱性）、IDE（隱性）、r1位（顯性）組成，總共32位。

• SRR：替代CAN標(biāo)準(zhǔn)幀中的RTR位；

• IDE：擴(kuò)展幀標(biāo)志位；

• r1：保留位，為顯性。

2.3、控制段

CAN FD與CAN有著相同的IDE、res和DLC位，同時(shí)增加了FDF、BRS、ESI三個(gè)bit位。

• FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數(shù)據(jù)幀中的保留位 r。表示 CAN 報(bào)文還是 CAN-FD 報(bào)文，F(xiàn)DF 位常為隱性（1），表示 CAN FD 報(bào)文；

• BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉(zhuǎn)換，當(dāng) BRS 為顯性位（0）時(shí)數(shù)據(jù)段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當(dāng) BRS 為隱性位（1）時(shí)速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉(zhuǎn)換速率傳輸）；

• ESI 位（Error State Indicator）：發(fā)送節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)指示，主動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送顯性位（0），被動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送隱性位（1）。

2.4、數(shù)據(jù)段 

CAN FD兼容CAN的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)最大還能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在傳統(tǒng)CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個(gè)值來(lái)表示所使用的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（12、16、20、24、32、48、64）。 

編輯

2.5、CRC段

傳統(tǒng)CAN中的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）為15位，而在CAN FD中由固定填充位FSB（6/7位）、填充位計(jì)數(shù)（4位）、CRC（17/21位）和CRC界定符（1位）組成，總共28或33位組成。在傳統(tǒng)CAN中，CRC中可以包含0到3個(gè)填充位，而在CAN FD中，總是有4個(gè)固定填充位以提高通信可靠性。

固定填充位（FSB)：CRC段中每4個(gè)位固定填充一個(gè)與上位相反的位。

• 采用CRC17時(shí)，F(xiàn)SB為6個(gè)位；

• 采用CRC21時(shí)，F(xiàn)SB為7個(gè)位。

填充位計(jì)數(shù)：由填充位計(jì)數(shù)（3位）和奇偶校驗(yàn)位（1位）組成。

CRC：

• 報(bào)文長(zhǎng)度小于16時(shí)，采用CRC17，17位組成；

• 報(bào)文長(zhǎng)度大于16時(shí)，采用CRC21，21位組成。

CRC界定符：固定為隱性位；從該位采樣后，切換為仲裁域波特率。

2.6、ACK段

ACK緊跟著CRC結(jié)束標(biāo)識(shí)位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的識(shí)別，由ACK位和ACK界定符位組成。

• ACK：接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)答位，接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)應(yīng)答顯性位；

• ACK界定符，固定為隱性。

2.7、幀結(jié)束

與CAN一樣，CAN FD的幀結(jié)尾也為連續(xù)7位的隱性位。

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一幀CAN FD報(bào)文位數(shù)

根據(jù)CAN FD幀結(jié)構(gòu)組成，可以算出一幀CAN FD報(bào)文位數(shù)：

CAN FD報(bào)文位數(shù) = 幀起始（1位）+ 仲裁段（13/32位）+ 控制段（8位）+ 數(shù)據(jù)段（0~512位）+ CRC段（28/33位）+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）

影響報(bào)文位數(shù)主要為仲裁段（幀ID長(zhǎng)度）和數(shù)據(jù)段（CRC段受數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度影響）。通過(guò)幀類(lèi)型、幀長(zhǎng)度組合出不同情況報(bào)文位數(shù)：

• 標(biāo)準(zhǔn)幀，數(shù)據(jù)0字節(jié)

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數(shù)據(jù)段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）= 59位

• 標(biāo)準(zhǔn)幀，數(shù)據(jù)64字節(jié)

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數(shù)據(jù)段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）= 576位

• 擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)0字節(jié)

幀起始（1位）+ 仲裁段（32位）+ 控制段（8位）+ 數(shù)據(jù)段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）= 78位

• 擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)64字節(jié)

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數(shù)據(jù)段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）= 590位

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精品專(zhuān)欄仲裁域和數(shù)據(jù)域位數(shù)

由于CANFD采用了雙波特率形式：標(biāo)準(zhǔn)波特率（也稱(chēng)仲裁域波特率）和數(shù)據(jù)域波特率，所以幀結(jié)構(gòu)中不同段采用的波特率也不同。

• 仲裁域波特率所占位數(shù)幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段的EDL、r0、BRS(3位)+ ACK段（2位）+ 幀結(jié)束（7位）

• 數(shù)據(jù)域波特率所占位數(shù)控制段的ESI、DLC(5位)+ 數(shù)據(jù)段（0~512位）+ CRC段（28/33位）

主要說(shuō)明的是，BRS位和CRC界定符位均同時(shí)使用了兩個(gè)波特率：

• BRS位：由**仲裁域波特率 * 仲裁域采樣點(diǎn) + 數(shù)據(jù)域波特率 * （1 - 仲裁域采樣點(diǎn)）**組成；

• CRC界定符：由**數(shù)據(jù)域波特率 * 數(shù)據(jù)域采樣點(diǎn) + 仲裁域波特率 * （1 - 數(shù)據(jù)域采樣點(diǎn)）**組成。

此處將BRS認(rèn)定采用仲裁域波特率、CRC界定符采用數(shù)據(jù)域波特率以方便計(jì)算。

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位填充

當(dāng)然，上述報(bào)文位數(shù)中，還未包含填充位個(gè)數(shù)。在CAN/CAN FD協(xié)議中規(guī)定：每5個(gè)相同的位就必須填充一個(gè)相反位，該位即為填充位。

我們知道字節(jié)0x55或0xAA，其二進(jìn)制分別為0101 0101或1010 1010，也就是每個(gè)位與上一位均相反，若此時(shí)ID和數(shù)據(jù)均為0x55或0xAA，則可以使填充位個(gè)數(shù)最少。

同理，字節(jié)0xFF或0x00，其二進(jìn)制位1111 1111或0000 0000，也就是所有位均一致，若此時(shí)ID和數(shù)據(jù)均為0x00或0xFF，此時(shí)報(bào)文的填充位個(gè)數(shù)最多。

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不同類(lèi)型報(bào)文位數(shù)

基于以上報(bào)文位數(shù)的計(jì)算，我們可以得出算出不同類(lèi)型報(bào)文所占位數(shù)，如下表所示：

從上表可知：

• 當(dāng)報(bào)文為CAN FD標(biāo)準(zhǔn)幀ID為0x555，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0時(shí)，報(bào)文位數(shù)最少，為59位；

• 當(dāng)報(bào)文為CAN FD擴(kuò)展幀ID為0x0，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64字節(jié)，數(shù)據(jù)全為0xFF時(shí)，報(bào)文位數(shù)最多，為703位。

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CAN FD報(bào)文時(shí)間計(jì)算

最后，可以根據(jù)波特率算出不同類(lèi)型報(bào)文時(shí)間了，計(jì)算公式如下：

報(bào)文時(shí)間 = 仲裁域位時(shí)間 * 仲裁域位數(shù) + 數(shù)據(jù)域位時(shí)間 * 數(shù)據(jù)域位數(shù)

以位數(shù)最少的CANFD報(bào)文為例，在仲裁域波特率為1Mbps（位時(shí)間1us），數(shù)據(jù)域波特率為5Mbps（位時(shí)間200ns）時(shí)，其報(bào)文時(shí)間 = 1us * 26 + 33 * 200ns = 32.6us。

那么一秒鐘最多可以發(fā)送報(bào)文呢？由于報(bào)文發(fā)送成功后，需經(jīng)過(guò)幀間隔（3個(gè)位）后才能發(fā)送下一幀報(bào)文，也就說(shuō)仲裁段要在原來(lái)基礎(chǔ)上加3個(gè)位，就可以算出每秒發(fā)送多少幀了。那么上述位數(shù)最少報(bào)文的發(fā)送時(shí)間耗時(shí) = 1us * （26 + 3） + 33 * 200ns = 35.6us，也就是1秒鐘最多可以發(fā)送1000000us / 35.6us = 28089幀報(bào)文。也就是說(shuō)，1M/5M波特率下，發(fā)送CAN FD標(biāo)準(zhǔn)加速幀，最多可以發(fā)送28089幀。

下面我們給出一些常用波特率下，不同類(lèi)型報(bào)文每秒最多可以發(fā)送的CANFD報(bào)文幀數(shù)（下表中報(bào)文BRS位為1，ESI位為0），供大家參考。