CAN FD的波特率到底能跑多快？

本文导读

众所周知CAN FD是CAN 2.0的升级协议，也是汽车电子行业未来发展的主要趋势，那CAN FD到底能跑多快呢？

众所周知，CAN FD是基于CAN 2.0的升级版协议，为了满足汽车电子日益增长的高带宽和高传输速率的要求，CAN FD主要升级了以下几个方面：

1、更高的传输波特率

图1 可变数据段波特率结构

CAN FD速率包含两个段的速率，其中仲裁段和ACK段沿用CAN2.0的规范，最高速率为1Mbit/s，中间的数据段是可以加速的，标称可以达到5Mbit/s，甚至更高。

2、更高效的数据段

对于汽车电子来说，对车辆动力系统、底盘以及主被动系统来说，加长的数据段避免了数据非必要的拆分，大大提升了CAN帧的传输效率。

图2 CAN FD高效的数据段

3、更可靠的CRC校验和额外的控制位

在传统的CAN 2.0中，由于填充规则会对CRC产生干扰，在CAN FD中升级了算法，将填充位加入多项式的运算，主要作为格式检查，考虑数据长度变化的区间很大，CRC也根据区间会生成两种校验算法，当帧长小于210位，使用CRC_17，当帧长小于1023位，使用CRC_21位算法。

图3 可靠的CRC校验

另外在CAN FD中利用了部分保留标志位，新增三种控制位，包括EDL（是否是CAN FD帧）、BRS（是否可变速率）以及ESI（错误状态），丰富帧内的有用信息。

图4 新增控制位

接下来我们回到正题，升级后的CAN FD到底能跑多快呢？那就用一个问题开始，大家都知道CAN 2.0最高速率可以到1M，但是为什么汽车电子高速CAN只跑到500K呢？

对于CAN总线的传输速率来讲，传输距离和传输速率是成反比的，一般来说传输距离（m）=（50000/波特率kbps）*0.8，如图5所示。

图5 传输距离和传输速率的关系

实际在总线传输的过程中，只有在实际应用环境下稳定传输才是重中之重，所以1M波特率在汽车电子会很难，接下来就如何实现高速率的稳定传输因素做以下浅析。

首先是CAN收发器，收发器的功能是将逻辑值转换为电平值，但电平在传输的过程中难免衰减，传输线缆本身的阻抗和容抗无法避免，尤其是首位终端电阻（基于手牵手拓扑），主要有两个功能：

• 首尾120欧姆终端电阻，保证阻抗连续性（防止电信号反射）；

• 放电作用。

针对终端电阻放电作用，我们下面从两个层面分析：

一、电平传输层面分析

图6 CAN FD波形

我们先来看一个CAN FD分解波形，其中是由显隐性电平构成的，其中上升沿是由CAN收发器芯片本身驱动的。当显性电平转变为隐形电平的时候，需要终端电阻放电，所以下降沿是我们的终端电阻放电的造成的。

图7 负载电阻与差分幅值的关系

如果下降沿缓慢是什么原因导致？

1、检查收发器外围电路是否存在容性较大的器件（不影响电路正常工作的情况下拆除），重新测试波形是否正常；

2、检查线缆的参数，每米容抗是否在正常范围内，正常线缆电容在40-70pF/m，容抗太大，建议更换线缆；

3、增加终端电阻放电，建议采用专业设备测试网络阻抗容抗做正确匹配。

图8 CANscope总线阻抗容抗测试

二、总线网络数据能否正确传输层面

阻抗太大，电压幅值压降太大，传输距离大大降低。现象就是在手牵手的网络拓扑中，当然差分幅值最好不要低于1.3V，防止在强干扰的环境下，导致收发器无法识别或误识别总线信号。

容抗也是影响下降沿的重要因素，如果下降沿太缓慢会导致位宽拉长，导致收发器错误识别，导致0/1的翻转，CAN总线是错误重发的机制，会一直重发，直到这一帧被正确接收。 

图9 电容对下降沿的影响

同样的我们回到阻抗和容抗的匹配是如何影响CAN FD的传输速率的呢，接下来我们用实测证明：

图10 稳定时间140ns

前面我也提到5M数据速率时，位时间是200ns，实际传输过程中，一位时间包含了上升沿、下降沿以及数据稳定时间，如图10所示，数据稳定时间按是140ns，那其中上升沿和下降沿占了60ns，理想情况下，上升沿和下降沿完全对称，其中上升沿时间是30ns，按照边沿极限值12%计算，实际算出来的位时间=30/（12/100）=250ns，那么相对应的传输波特率就=1/250ns=4M波特率，所以实际5M波特率也就是在测试使用，如果按照7%的边沿时间为安全值来计算，实际的位时间=30/（7/100）约等于42ns，相对应的传输波特率=1/42ns约等于2.3M，所以想要实际在工况下稳定可靠传输，数据端波特率在2M左右比较合理。

综上所述，影响CAN FD到底能传输多快影响的因素非常多，也是我们大多数工程师在实际CAN总线开发的过程中会忽略的问题，如果需要CAN总线的相应产品解决方案，欢迎添加微信号：zlgmcu-888，期待与您的探讨和交流。