CAN和CANFD总线协议入门

CAN（Controller Area Network）和CAN FD（CAN with Flexible Data Rate）是两种常用的汽车通信协议，它们具有各自的特点和适用场景。以下是对CAN和CAN FD总线协议的入门介绍。

CAN和CANFD总线协议入门

• 一、CAN与CAN FD的概念总结
  • 1. CAN是什么
    • I. 串行数据通信的完整性：能够可靠地传输数据。
    • II. 实时支持：提供低延迟的通信，适用于实时控制系统。
    • III. 高传输速率：最高可支持1 Mb/s的数据传输速率。
    • IV. 寻址能力：支持11位标识符的寻址方式。
    • V. 检错能力：内置多种错误检测机制，确保数据的准确性。
  • 2. 传统CAN总线的局限性
    • I. 传输速率限制
    • II. 额外开销较大
      • 1||| UDP：每个数据包大约1500字节，其中64字节为开销，开销比例较小。
      • 2||| FlexRay：每个数据帧为254字节，开销为8字节，开销比例也较低。
  • 3. CAN FD的推出
    • I. 提高传输速率：CAN FD支持更高的传输速率，能够满足现代应用对更高数据速率的需求，尤其是当速率超过1 Mbit/s时。
    • II. 扩展数据帧大小：CAN FD允许数据帧携带更多的字节，提升了总线的有效载荷。
  • 4. CAN与CAN FD主要区别
    • 物理层一致，区别在协议层
    • I. 传输速率不同
      • 1||| CAN的传输速率
      • 2||| CAN FD的传输速率
        • ··CAN FD支持 两种速率，使其相比传统CAN具有更高的传输能力： 1、仲裁比特率（Arbitration Bitrate）：最大 1 Mbps，与传统CAN相同。 2、数据比特率（Data Bitrate）：可达到 8 Mbps，显著提高了数据传输速率。 ··在CAN FD中，数据域的传输速率可以更高，且支持两种速率的组合（仲裁速率和数据速率可以一致或不一致）。 ··具体实现上，CAN FD在数据传输过程中使用了 可变速率，使得数据域部分的传输速度更高。
    • II. 数据域长度不同
      • 1||| CAN：最大数据域为 8字节。
      • 2||| CAN FD：支持更大的数据域，最多可传输 64字节。这样大大提高了数据传输的效率，特别适用于需要传输大量数据的应用。
    • III. 帧格式不同
      • 1||| 数据域长度：如上所述，CAN FD的最大数据域长度为64字节，而传统CAN为8字节。
      • 2||| 字段扩展：CAN FD在数据字段后增加了新的标志位、扩展字段等，以支持更大的数据域和更高的速率。
    • IV. ID长度不同
      • CAN：采用 11位 标识符（标准帧）或者 29位 标识符（扩展帧）。
      • CAN FD：同样支持 11位 和 29位 标识符，但在一些特定配置下可能会使用不同的标识符格式，以支持更大的数据域和更高的传输速率。
• 二、CAN标准帧含义
  • 1. CAN帧结构
    • I. 起始位(SOF,Start Of Frame)：帧的开始，通知节点开始接收数据。
      • 1||| 长度：1位
      • 2||| 含义
        • 表示帧的开始。起始位是一个固定的 显性（dominant）信号，表示CAN总线上的数据传输开始。它标志着一个新帧的到来，所有的节点都会监听并处理后续的数据。
    • II. 仲裁字段：标识符用于决策总线访问优先级，RTR位和IDE位则决定帧类型。
      • 1||| 长度：11位（标准帧）+ 1位（远程请求位）+ 1位（IDE位）
      • 2||| 包含内容：
        • 1||| 标识符（Identifier）
          • ：标准帧使用11位的标识符（ID）。标识符是用来标识消息优先级的，值越小，优先级越高。CAN协议采用非抢占式仲裁机制，标识符越低的消息可以优先获得总线的使用权。
        • 2||| 远程请求位（RTR, Remote Transmission Request）：
          • 1位，指示该帧是数据帧还是远程帧（请求帧）。如果是远程帧，则这个位置为 1，否则为 0。
        • 3||| IDE位（Identifier Extension Bit）：
          • 1位，用来区分标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符）。在标准帧中，IDE位为 0，表示使用11位标识符。
    • III. 控制字段：提供数据长度信息，决定数据部分的字节数。
      • 1||| 长度：1位（RTR）+ 4位（数据长度代码DLC）
      • 2||| 包含内容：
        • 1||| DLC（Data Length Code）：
          • 4位，用于表示数据字段的字节数（0–8字节）。DLC的值与后续数据字段的实际字节数相对应。若DLC为4，则表示后续数据字段为4字节。
        • 2||| RTR（Remote Transmission Request）：
          • 用于区分数据帧与远程帧（如上所述）。
    • IV. 数据字段：包含实际要传输的数据。
      • 1||| 长度：0到8字节
      • 2||| 含义：
        • 实际的数据内容部分，最多可以传输8个字节（即64位）。这部分包含了实际传输的数据，DLC字段决定数据字段的长度。
      • 3||| 备注：
        • 在数据帧中，数据字段传输的是需要被接收节点处理的有效数据，而在远程帧中，这部分是空的。
    • V. CRC字段：用于确保数据的完整性，防止传输错误。
      • 1||| 长度：15位（CRC序列）+ 1位（CRC分界符）
      • 2||| 含义：
        • 1||| CRC序列：
          • 用来检测数据传输过程中是否发生了错误。CAN协议采用CRC-15校验算法，CRC序列会根据数据字段的内容动态计算生成，接收方使用相同的算法对数据进行检查，确保数据在传输过程中未被损坏。
        • 2||| CRC分界符：
          • 这1位是一个显性（dominant）信号，用于分隔CRC字段和ACK字段。
    • VI. 应答字段：接收方确认数据接收的成功。
      • 1||| 长度：2位
      • 2||| 含义：
        • 1||| ACK位（ACK Slot）：
          • 1位，在数据传输后，接收方节点会在此位处发送应答信号。如果接收方成功接收到并验证数据，该位会被拉低（显性状态）。如果没有接收到有效数据，则保持为显性（1）。所有接收到帧的节点都会在此字段发送应答。
        • 2||| ACK分界符：1位，作为分隔符，表明应答字段的结束。
    • VII. 结束位：标记数据帧的结束，告诉节点数据传输完毕。
      • 1||| 长度：7位
      • 2||| 含义：
        • 表示数据帧的结束。结束位由七个 显性（dominant） 信号组成，指示消息的传输已经完成。
    • VIII. 填充位：确保数据帧符合长度要求。
      • 1||| 长度：可选
      • 2||| 含义：
        • 在某些情况下，如果数据部分的长度不足某些要求（如数据和CRC的比特数之间的关系），则在结束前会自动添加填充位，确保数据的完整性和帧的有效传输。
    • IX. 扩展帧和标准帧的区别
      • 标准帧使用11位标识符（11-bit ID）。
      • 扩展帧使用29位标识符（29-bit ID），因此其帧结构会更加复杂。
  • 2. CAN帧和CANFD帧区别
    • I. 帧格式（Frame Format）
      • 1||| CAN标准帧（Classic CAN）：标准帧使用的是11位标识符（ID）来区分不同的消息。
      • 2||| CAN FD标准帧：CAN FD使用的是11位标识符（标准帧）或者29位标识符（扩展帧），而且支持更大的数据传输量。
    • II. 标识符长度（Identifier Length）
      • 1||| CAN标准帧：标识符长度为11位，支持最多2048个标识符（标准ID）。
      • 2||| CAN FD标准帧：标识符长度仍然为11位（标准帧）或者29位（扩展帧），但是支持更高的数据传输速率。
    • III. 数据字段长度（Data Field Length）
      • 1||| CAN标准帧：数据字段的最大长度为8个字节。即，每一帧数据的最大负载为8字节。
      • 2||| CAN FD标准帧：CAN FD支持最大64字节的数据字段。相比传统CAN协议的8字节数据负载，CAN FD显著提高了数据传输量，允许每帧传输更多的数据。
    • IV. 数据传输速率（Data Bitrate）
      • 1||| CAN标准帧：最大数据传输速率为1 Mbps。
      • 2||| CAN FD标准帧：支持更高的数据传输速率，数据比特率可高达8 Mbps。CAN FD支持在同一帧内使用两种不同的位速率：一个用于仲裁阶段（最高1 Mbps），另一个用于数据阶段（最高8 Mbps）。
    • V. 仲裁阶段（Arbitration Phase）
      • 1||| CAN标准帧：在仲裁阶段，CAN标准帧使用11位标识符，并且所有节点通过竞选的方式来决定谁能获得总线的控制权。
      • 2||| CAN FD标准帧：CAN FD使用与传统CAN类似的仲裁阶段，但在数据阶段，它支持更高的数据传输速率和更大的数据长度，能够在同一帧内实现更灵活的传输。
    • VI. 控制字段（Control Field）
      • 1||| CAN标准帧：控制字段包含数据长度代码（DLC），该字段长度为4位，表示数据字段的字节数（0–8字节）。
      • 2||| CAN FD标准帧：在CAN FD中，控制字段也包括数据长度代码（DLC），但是它支持的最大数据长度为64字节。因此，CAN FD的DLC字段实际上支持更多的数据长度。
    • VII. 位填充（Bit Stuffing）
      • 1||| CAN标准帧：在数据传输中，遇到5个连续的相同位时，必须插入1个反位来避免帧同步问题，这叫做位填充。
      • 2||| CAN FD标准帧：同样使用位填充，但在某些情况下，CAN FD允许更灵活的位填充和校验方式，以适应更高的数据速率。
    • VIII. CRC校验（CRC Check）
      • 1||| CAN标准帧：CRC字段长度为15位，用于校验数据传输的正确性。
      • 2||| CAN FD标准帧：为了适应更大的数据字段，CAN FD的CRC校验字段长度增加到了32位，用于检测更长数据字段中的错误。
    • IX. ACK位（Acknowledgment Slot）
      • 1||| CAN标准帧：接收节点会发送ACK（应答）位，表明数据是否成功接收。ACK位为0表示数据成功接收，1表示接收失败。
      • 2||| CAN FD标准帧：同样有ACK机制，但由于数据长度增加，CAN FD的错误检测机制和ACK确认过程会更复杂。CAN FD在数据阶段可能会进行更多的错误检测。
    • X. 帧结束和错误处理
      • 1||| CAN标准帧：在错误发生时，CAN标准帧的错误处理机制相对简单。
      • 2||| CAN FD标准帧：CAN FD有更复杂的错误检测机制（例如，CRC32和Stuff Check），并且能够在数据阶段实现更高效的错误检测和处理。
• 三、CAN与CANFD的优劣势
  • I. CAN优势
    • 1||| 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点;
    • 2||| 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作;
    • 3||| 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络;
    • 4||| 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;
    • 5||| 可靠的错误处理和检错机制;
    • 6||| 发送的信息遭到破坏后，可自动重发;
    • 7||| 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;
    • 8||| 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
  • II. CAN缺点
    • 1||| 不一致性
    • 2||| 不可预测性
    • 3||| 信道出错堵塞
  • III. CANFD优势
    • 1||| CAN FD提高位速率的同时提供更短的CAN帧
    • 2||| CAN FD可以在CAN帧中容纳从8到64字节更多的数据