CAN/CANFD通信協(xié)議簡(jiǎn)介

汽車常用總線

CAN發(fā)展時(shí)間線

1983年，Bosch開(kāi)始研究汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1986年，Bosch在SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）大會(huì)正式公布CAN協(xié)議

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch頒布CAN 2.0技術(shù)規(guī)范，同年，CAN總線最先在Benz S系列轎車上實(shí)現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO-11898

1994年，CiA（CAN in AUTOMATION）組織舉辦第一屆國(guó)際CAN大會(huì)（iCC），同年，CiA在中國(guó)開(kāi)了第一場(chǎng)CAN研討會(huì)

2011年，Bosch發(fā)布第二代CAN通信技術(shù)：CANFD 1.1版（Non-ISO）

2015年，CAN FD被ISO標(biāo)準(zhǔn)化

2018年，CiA應(yīng)大眾汽車要求開(kāi)始開(kāi)發(fā)第三代CAN通信技術(shù)CAN XL

2020年，CAN XL登場(chǎng)第十七屆iCC大會(huì)

CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵循ISO制定的OSI（Open System Interconnection）七層模型，其結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了兩層：數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

CAN控制器：生成CAN幀并以二進(jìn)制碼流的方式發(fā)送，在此過(guò)程中進(jìn)行位填充、CRC校驗(yàn)、應(yīng)答檢測(cè)等；將接收到的二進(jìn)制碼流進(jìn)行解析并接收，在此過(guò)程中進(jìn)行收發(fā)比對(duì)、去位填充、CRC校驗(yàn)等。此外還需要進(jìn)行沖突判斷、錯(cuò)誤處理等。

CAN收發(fā)器：將二進(jìn)制碼流轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)發(fā)送，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼流接收。

CAN差分信號(hào)

CAN收發(fā)器邏輯信號(hào)和物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換采用差分電平方式。

問(wèn)：為什么CAN線是雙絞線？

答：雙絞線傳輸差分信號(hào)時(shí)受到共模信號(hào)干擾后，電位差不變，信號(hào)解碼正常。

雙絞線一般要求：芯截面積：0.35mm^2～0.5mm^2；絞距：33twist/m～50twist/m。

CAN終端電阻

為了保證CAN通信穩(wěn)定，CAN總線兩端各添加一個(gè)終端電阻。終端電阻的作用有3個(gè)：

1、提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號(hào)迅速走掉；

2、確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉；

3、提高信號(hào)質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低。

ISO 11898-2中規(guī)定終端電阻標(biāo)稱值為120Ω（最小100Ω，最大130Ω），最低功耗是220mW。

對(duì)于有SPLIT引腳的CAN收發(fā)器，如常用的NXP TJA1040，終端電阻采用分離式（分裂式）連接，使用兩個(gè)6062Ω的電阻，中間一個(gè)小電容（45nF），這樣可以有效地降低電磁輻射，提高總線的抗干擾能力。

CAN波特率與位時(shí)間

位：bit，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單位，每個(gè)0或1就是一個(gè)位。

字節(jié)：byte，計(jì)量存儲(chǔ)容量的一種計(jì)量單位，1字節(jié)=8位。

波特率是位速率，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數(shù)。常見(jiàn)的有250kb/s、500kb/s等。

位時(shí)間顧名思義是發(fā)送一個(gè)位所需要的的時(shí)間，位時(shí)間=1/位速率，比如波特率250kb/s的位時(shí)間就是4us。

CAN數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀是五種報(bào)文幀（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀、幀間隔）里最復(fù)雜，也是最常用的。數(shù)據(jù)幀格式如下圖，平時(shí)使用我們看到的只有仲裁段的ID和數(shù)據(jù)段。

CAN 2.0A標(biāo)準(zhǔn)定義了標(biāo)準(zhǔn)幀，CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)定義了擴(kuò)展幀，支持CAN 2.0B的芯片可以兼容兩者幀格式。

標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的區(qū)別只在于ID，標(biāo)準(zhǔn)幀ID是11位，擴(kuò)展幀ID是29位。

CAN負(fù)載率

CAN總線負(fù)載率是指在CAN總線上單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際傳送的位數(shù)和可以傳送的位數(shù)之比，即1s實(shí)際發(fā)送報(bào)文位數(shù)除以波特率。

CAN總線負(fù)載率宜控制在30%以內(nèi)。實(shí)際整車負(fù)載率會(huì)控制在65%左右，對(duì)各模塊的要求是達(dá)到85%左右而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀。

為了降低總線負(fù)載，一些不重要或?qū)崟r(shí)性不強(qiáng)的報(bào)文周期比較長(zhǎng)，會(huì)低于采集或計(jì)算周期。

CAN的數(shù)據(jù)排列格式

從CANalyzer的DBC編輯器可以看出，每行表示一個(gè)字節(jié)的8個(gè)位，從右到左依次是bit0, bit1...bit7。一共有8行，從上到下依次是byte0, byte1...byte7。這也能看出數(shù)據(jù)段包含最多8個(gè)byte的數(shù)據(jù)，共64個(gè)bit（bit位序從byte0到byte7依次遞增排序）。

數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)則：字節(jié)的高位（msb）先發(fā)送，字節(jié)的低位（lsb）最后發(fā)送。對(duì)于字節(jié)的發(fā)送而言，可以選擇高字節(jié)(MSB)先發(fā)(Byte 7先發(fā))，也可以低字節(jié)(LSB)先發(fā)(Byte 0先發(fā))，通常來(lái)說(shuō)是用低字節(jié)先發(fā)。

數(shù)據(jù)排列有Intel和Motorola兩種格式，兩者只有在跨字節(jié)時(shí)才有區(qū)別。

按照byte0, byte1...的先后順序，Intel格式小字節(jié)在前，大字節(jié)在后，所以叫小端；Motorola格式大字節(jié)在前，小字節(jié)在后所以叫大端。

比如一個(gè)數(shù)據(jù)，byte 0是12，byte 1是34，Intel格式解析是0x12 34，Motorola格式解析是0x34 12。

CAN的CRC

CRC是循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy ），用來(lái)檢測(cè)或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。CRC的計(jì)算方法由ISO 11898-1規(guī)定。

如果接收方判斷該數(shù)據(jù)幀無(wú)效，則該幀報(bào)文棄之不用，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)重新發(fā)送該報(bào)文，接收方收到后回復(fù)確認(rèn)后結(jié)束。

CAN的Checksum

Checksum是校驗(yàn)和，和CRC作用類似，也用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

實(shí)際應(yīng)用中，CRC并不能檢測(cè)到所有的差錯(cuò)，為了盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，一般CAN通信里還增加了Checksum。

Checksum的計(jì)算方式?jīng)]有統(tǒng)一規(guī)定，各廠家可以根據(jù)自身需要制定。

Checksum的值一般會(huì)在數(shù)據(jù)段里發(fā)出來(lái)。

CAN的計(jì)數(shù)器

CRC和Checksum可以保證信號(hào)的有效性，而計(jì)數(shù)器可以保證信號(hào)的時(shí)效性。計(jì)數(shù)器一般叫Live Counter或Rolling Counter。發(fā)送節(jié)點(diǎn)每次在發(fā)送一幀報(bào)文后就對(duì)該Live Counter位加1。通常live Counter是4bit，那么live Counter就會(huì)在015（也有014）之間循環(huán)增加。

如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文出了問(wèn)題，從Live Counter波形上就會(huì)體現(xiàn)出現(xiàn)。

接收節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文后對(duì)計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)計(jì)數(shù)器值出現(xiàn)不連續(xù)的情況時(shí)，該幀報(bào)文的內(nèi)容將被丟棄不再使用，直到計(jì)數(shù)器值重新連續(xù)為止。

CANFD的特點(diǎn)

CANFD（CAN with Flexible Data Rate）可以理解成CAN協(xié)議的升級(jí)版，只升級(jí)了協(xié)議，物理層未變。

CANFD與CAN最明顯的區(qū)別：可變速率、新的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度。

1.可變速率

從控制段中的BRS位到ACK段之前（含CRC分界符）為可變速率（理論最大可達(dá)12Mb/s），其余部分為原CAN總線用的速率，比如某CANFD總線波特率為500kb/s+2Mb/s。

2.新的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度

CAN-FD對(duì)數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度作了很大的擴(kuò)充，最大可達(dá)64字節(jié)。

CANFD同樣有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀之分，與CAN一致。

上圖兩個(gè)幀結(jié)構(gòu)圖都是擴(kuò)展幀，區(qū)別在CRC段。用CRC多項(xiàng)式區(qū)分：CRC_15用于CAN，CRC_17用于數(shù)據(jù)段不超過(guò)16字節(jié)的CANFD，CRC_21用于數(shù)據(jù)段超過(guò)16字節(jié)的CANFD。

CANFD的波特率

ISO沒(méi)有規(guī)定CANFD的波特率，考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)通信穩(wěn)定性，一些標(biāo)準(zhǔn)推薦了幾種波特率選擇。

SAE J2284-4：推薦汽車CANFD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（不同ECU通信）采用500kb/s+2Mb/s的波特率

SAE J2284-5：推薦汽車CANFD點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信應(yīng)用（單個(gè)ECU刷寫）采用500kb/s+5Mb/s的波特率

CiA：推薦1Mb/s+5Mb/s，500kb/s+2Mb/s，250kb/s+2Mb/s

CANFD的優(yōu)勢(shì)

CANFD支持更高的速率，可以更快地刷寫ECU；

CANFD在單個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)傳送率可達(dá)64字節(jié)，避免了經(jīng)常發(fā)生的數(shù)據(jù)分拆傳輸?shù)臓顩r；

CANFD可重新再利用CAN線束和其它物理層面元件；

CANFD在電動(dòng)車（更多的ECU）以及今后的動(dòng)力CAN（更高的速率）上應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)；

CANFD上層應(yīng)用層架構(gòu)不需要改變，在原來(lái)基礎(chǔ)上擴(kuò)展即可。

CANFD與CAN的兼容性問(wèn)題

未來(lái)的CAN網(wǎng)絡(luò)，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)存在著傳統(tǒng)CAN與CAN FD并存的情況。部分需解決速率問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)會(huì)率先采用CAN FD，其他對(duì)實(shí)時(shí)要求不高的節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)使用傳統(tǒng)CAN。

CANFD和CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)可以通過(guò)CANFD路由器轉(zhuǎn)發(fā)，類似于現(xiàn)在車上處于不同網(wǎng)絡(luò)的ECU之間的通信。

ECU和ABS之間通信由CANFD路由器將ECU與ABS的數(shù)據(jù)1：1轉(zhuǎn)發(fā)；ECU或者ABS與ECAS之間通信由CANFD路由器換為傳統(tǒng)CAN再轉(zhuǎn)發(fā)。