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

發(fā)布人:美男子玩編程 時(shí)間:2023-06-21 來(lái)源:工程師 發(fā)布文章

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>


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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。


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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)。


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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)。 


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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。


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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:


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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。


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