CAN和CANFD协议简介（上）

 

1. 概述

CAN（Controller Area Network）和CANFD（Controller Area Network Flexible Data-rate）是一种常用于汽车和工业领域的通信协议。

 

CAN协议最初是由德国的博世公司（Bosch）在20世纪80年代开发的，旨在解决汽车电子设备之间的通信需求。它是一种高效可靠的串行通信协议，可支持在短距离上的高速数据传输。CAN协议以事件触发的方式进行通信，允许多个设备同时参与通信，并通过优先级机制确保数据传输的实时性和可靠性。Classic CAN，传统CAN，有时也称为经典CAN或普通CAN。

 

CAN协议的特点包括

双线制：CAN总线由CAN_H和CAN_L两根传输线组成，用差分信号传输数据，以提高抗干扰性能。

冲突检测与冲突解决：多个设备同时发送数据时，CAN协议能够检测到冲突并通过优先级机制解决。

帧格式简单：CAN消息由ID、数据、控制位和CRC校验组成，具有较小的开销和较高的数据传输效率。

容错能力强：CAN协议使用位级错误检测和错误恢复机制，能够实现高可靠性的数据传输。

 

随着汽车电子系统的发展和数据通信需求的增加，CANFD协议应运而生。CANFD在保持CAN协议基本特性的同时，增加了一些新的特性，主要是在数据传输速率和数据长度上的增强。相对于传统的CAN协议，CANFD支持更高的数据传输速率（最高可达到8Mbps）和更大的数据长度（最多可传输64字节的数据）。这使得CANFD能够满足对数据带宽要求更高的应用场景，如高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶领域。

 

CAN FD协议是由Bosch以及行业专家预研开发的，并于2012年发布。通过标准化对其进行了改进，现已纳入ISO 11898-1:2015。原始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）与ISO CAN FD是不兼容。CAN FD具有四个主要优点：

增加了数据的长度：CAN FD每个数据帧最多支持64个数据字节，而传统CAN最多支持8个数据字节。这减少了协议开销，并提高了协议效率。

增加传输的速度：CAN FD支持双比特率；与传统CAN一样，标称（仲裁）比特率限制为1 Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit/s的数据比特率(实际应用中可以达到8 Mbit/s，但没有标准)。

更好的可靠性：CAN FD使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测到的错误的风险。这在汽车和工业自动化等安全攸关的应用中至关重要。

平滑过渡：在一些特定的情况下CAN FD能用在仅使用传统CAN的ECU上，这样就可以逐步引入CAN FD节点，从而为OEM简化程序和降低成本。

 

 

与传统CAN相比，CAN FD可以将网络带宽提高3到8倍，效率可从50%提升到90%，从而为数据的增长提供了一种简单的解决方案。

 

2. CAN协议

2.1 物理层

与I2C、SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，只具有CAN_High和CAN_Low两条信号线， 共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。

 

CAN物理层的形式主要有两种：闭环总线网络和开环总线网络。

 

2.1.1 闭环总线网络

如下所示的图中的CAN通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、 短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个“120欧”的电阻。

 

 

2.1.2 开环总线网络

如下所示的图中的是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离“开环网络”，它的最大传输距离为1km， 最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2千欧”的电阻。

 

2.1.3 ISO11898（闭环总线网络）和11519-2 （开环总线网络）协议的不同点

ISO11898 和 ISO11519-2 标准对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。

ISO11898是通信速度为125kbps-1Mbps的CAN高速通信标准。

ISO11519是通信速度为125kbps以下的CAN低速通信标准。

下图描述了ISO11898和11519-2物理层的主要不同点。

 

用户需根据系统需要设定通信速度及总线长度。

 

2.1.4 CAN协议中的差分信号

差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等， 相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1。

 

CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定， CAN协议标准表示的信号逻辑参见下表。 

 

以高速CAN协议为例，当表示逻辑1时(隐性电平)，CAN_High和CAN_Low线上的电压均为2.5v， 即它们的电压差VH-VL=0V；而表示逻辑0时(显性电平)， CAN_High的电平为3.5V，CAN_Low线的电平为1.5V， 即它们的电压差为VH-VL=2V。例如，当CAN收发器从CAN_Tx线接收到来自CAN控制器的低电平信号时(逻辑0)， 它会使CAN_High输出3.5V，同时CAN_Low输出1.5V，从而输出显性电平表示逻辑0。

 

在CAN总线中，必须使它处于隐性电平（逻辑1）或显性电平（逻辑0）中的其中一个状态。假如有两个CAN通讯节点，在同一时间，一个输出隐性电平， 另一个输出显性电平，类似I2C总线的“线与”特性将使它处于显性电平状态，显性电平的名字就是这样来的，即可以认为显性具有优先的意味。

 

由于CAN总线协议的物理层只有1对差分线，在一个时刻只能表示一个信号，所以对通讯节点来说，CAN通讯是半双工的，收发数据需要分时进行。在CAN的通讯网络中，因为共用总线，在整个网络中同一时刻只能有一个通讯节点发送信号，其余的节点在该时刻都只能接收。