CAN/CANFD通信协议简介

汽车常用总线

CAN发展时间线

1983年，Bosch开始研究汽车网络技术

1986年，Bosch在SAE（美国汽车工程师协会）大会正式公布CAN协议

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch颁布CAN 2.0技术规范，同年，CAN总线最先在Benz S系列轿车上实现

1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-11898

1994年，CiA（CAN in AUTOMATION）组织举办第一届国际CAN大会（iCC），同年，CiA在中国开了第一场CAN研讨会

2011年，Bosch发布第二代CAN通信技术：CANFD 1.1版（Non-ISO）

2015年，CAN FD被ISO标准化

2018年，CiA应大众汽车要求开始开发第三代CAN通信技术CAN XL

2020年，CAN XL登场第十七届iCC大会

CAN的分层结构

CAN遵循ISO制定的OSI（Open System Interconnection）七层模型，其结构体现了两层：数据链路层、物理层。

CAN控制器：生成CAN帧并以二进制码流的方式发送，在此过程中进行位填充、CRC校验、应答检测等；将接收到的二进制码流进行解析并接收，在此过程中进行收发比对、去位填充、CRC校验等。此外还需要进行冲突判断、错误处理等。

CAN收发器：将二进制码流转换为差分信号发送，将差分信号转换为二进制码流接收。

CAN差分信号

CAN收发器逻辑信号和物理信号之间的转换采用差分电平方式。

问：为什么CAN线是双绞线？

答：双绞线传输差分信号时受到共模信号干扰后，电位差不变，信号解码正常。

双绞线一般要求：芯截面积：0.35mm^2～0.5mm^2；绞距：33twist/m～50twist/m。

CAN终端电阻

为了保证CAN通信稳定，CAN总线两端各添加一个终端电阻。终端电阻的作用有3个：

1、提高抗干扰能力，让高频低能量的信号迅速走掉；

2、确保总线快速进入隐性状态，让寄生电容的能量更快走掉；

3、提高信号质量，放置在总线的两端，让反射能量降低。

ISO 11898-2中规定终端电阻标称值为120Ω（最小100Ω，最大130Ω），最低功耗是220mW。

对于有SPLIT引脚的CAN收发器，如常用的NXP TJA1040，终端电阻采用分离式（分裂式）连接，使用两个6062Ω的电阻，中间一个小电容（45nF），这样可以有效地降低电磁辐射，提高总线的抗干扰能力。

CAN波特率与位时间

位：bit，数据存储的最小单位，每个0或1就是一个位。

字节：byte，计量存储容量的一种计量单位，1字节=8位。

波特率是位速率，即发送节点在非同步的情况下发送的每秒钟的位数。常见的有250kb/s、500kb/s等。

位时间顾名思义是发送一个位所需要的的时间，位时间=1/位速率，比如波特率250kb/s的位时间就是4us。

CAN数据帧格式

数据帧是五种报文帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔）里最复杂，也是最常用的。数据帧格式如下图，平时使用我们看到的只有仲裁段的ID和数据段。

CAN 2.0A标准定义了标准帧，CAN 2.0B标准定义了扩展帧，支持CAN 2.0B的芯片可以兼容两者帧格式。

标准帧和扩展帧的区别只在于ID，标准帧ID是11位，扩展帧ID是29位。

CAN负载率

CAN总线负载率是指在CAN总线上单位时间内实际传送的位数和可以传送的位数之比，即1s实际发送报文位数除以波特率。

CAN总线负载率宜控制在30%以内。实际整车负载率会控制在65%左右，对各模块的要求是达到85%左右而不会出现错误帧。

为了降低总线负载，一些不重要或实时性不强的报文周期比较长，会低于采集或计算周期。

CAN的数据排列格式

从CANalyzer的DBC编辑器可以看出，每行表示一个字节的8个位，从右到左依次是bit0, bit1...bit7。一共有8行，从上到下依次是byte0, byte1...byte7。这也能看出数据段包含最多8个byte的数据，共64个bit（bit位序从byte0到byte7依次递增排序）。

数据的传输规则：字节的高位（msb）先发送，字节的低位（lsb）最后发送。对于字节的发送而言，可以选择高字节(MSB)先发(Byte 7先发)，也可以低字节(LSB)先发(Byte 0先发)，通常来说是用低字节先发。

数据排列有Intel和Motorola两种格式，两者只有在跨字节时才有区别。

按照byte0, byte1...的先后顺序，Intel格式小字节在前，大字节在后，所以叫小端；Motorola格式大字节在前，小字节在后所以叫大端。

比如一个数据，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是循环冗余校验（Cyclic Redundancy ），用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。CRC的计算方法由ISO 11898-1规定。

如果接收方判断该数据帧无效，则该帧报文弃之不用，发送节点会重新发送该报文，接收方收到后回复确认后结束。

CAN的Checksum

Checksum是校验和，和CRC作用类似，也用来检验数据的准确性。

实际应用中，CRC并不能检测到所有的差错，为了尽可能保证数据传输的准确性，一般CAN通信里还增加了Checksum。

Checksum的计算方式没有统一规定，各厂家可以根据自身需要制定。

Checksum的值一般会在数据段里发出来。

CAN的计数器

CRC和Checksum可以保证信号的有效性，而计数器可以保证信号的时效性。计数器一般叫Live Counter或Rolling Counter。发送节点每次在发送一帧报文后就对该Live Counter位加1。通常live Counter是4bit，那么live Counter就会在015（也有014）之间循环增加。

如果发送节点发送报文出了问题，从Live Counter波形上就会体现出现。

接收节点接收到报文后对计数器的值进行评估，当计数器值出现不连续的情况时，该帧报文的内容将被丢弃不再使用，直到计数器值重新连续为止。

CANFD的特点

CANFD（CAN with Flexible Data Rate）可以理解成CAN协议的升级版，只升级了协议，物理层未变。

CANFD与CAN最明显的区别：可变速率、新的数据段长度。

1.可变速率

从控制段中的BRS位到ACK段之前（含CRC分界符）为可变速率（理论最大可达12Mb/s），其余部分为原CAN总线用的速率，比如某CANFD总线波特率为500kb/s+2Mb/s。

2.新的数据段长度

CAN-FD对数据段的长度作了很大的扩充，最大可达64字节。

CANFD同样有标准帧和扩展帧之分，与CAN一致。

上图两个帧结构图都是扩展帧，区别在CRC段。用CRC多项式区分：CRC_15用于CAN，CRC_17用于数据段不超过16字节的CANFD，CRC_21用于数据段超过16字节的CANFD。

CANFD的波特率

ISO没有规定CANFD的波特率，考虑实际应用时通信稳定性，一些标准推荐了几种波特率选择。

SAE J2284-4：推荐汽车CANFD网络应用（不同ECU通信）采用500kb/s+2Mb/s的波特率

SAE J2284-5：推荐汽车CANFD点对点通信应用（单个ECU刷写）采用500kb/s+5Mb/s的波特率

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

CANFD的优势

CANFD支持更高的速率，可以更快地刷写ECU；

CANFD在单个数据帧内传送率可达64字节，避免了经常发生的数据分拆传输的状况；

CANFD可重新再利用CAN线束和其它物理层面元件；

CANFD在电动车（更多的ECU）以及今后的动力CAN（更高的速率）上应用更有优势；

CANFD上层应用层架构不需要改变，在原来基础上扩展即可。

CANFD与CAN的兼容性问题

未来的CAN网络，较长时间内都会存在着传统CAN与CAN FD并存的情况。部分需解决速率问题的节点会率先采用CAN FD，其他对实时要求不高的节点仍然会使用传统CAN。

CANFD和CAN节点之间的通信数据可以通过CANFD路由器转发，类似于现在车上处于不同网络的ECU之间的通信。

ECU和ABS之间通信由CANFD路由器将ECU与ABS的数据1：1转发；ECU或者ABS与ECAS之间通信由CANFD路由器换为传统CAN再转发。