CAN FD网络中每秒最多可以发送多少帧报文？

电子设计联盟 · 发表于 2023-6-16 12:00:00

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随着总线技术在汽车电子领域越来越广泛和深入的应用，特别是自动驾驶技术的迅速发展，汽车电子对总线宽度和数据传输速率的要求也越来也高，传统CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已难以满足日益增加的需求。

因此在2012年，Bosch发布了新的CAN FD标准 (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD继承了CAN的绝大多数特性，如同样的物理层，双线串行通信协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制等，同时CAN FD弥补了CAN在总线带宽和数据长度方面的不足。

2015年6月30日，国际标准化组织（ISO）已经正式认可CAN?FD，并无反对票通过ISO 11898-1作为国际标准草案。
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什么是CAN FD？
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。一开始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）与ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4个主要优点：

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1、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。
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2、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。
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3、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。
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4、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。
实际上，与传统CAN相比，CAN FD可以将网络带宽提高3到8倍，从而为数据的增长提供了一种简单的解决方案。
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CAN FD帧结构
CAN FD节点可以正常收、发CAN报文，但CAN节点不能正确收、发CAN FD报文，因为其帧格式不一致。

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与CAN一样，CAN FD一共具有：帧起始，仲裁段，控制段，数据段，CRC段，ACK段和帧结束，7部分组成。

2.1、帧起始
CAN与CANFD使用相同的SOF标志位来标志报文的起始。帧起始由1个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步作用。

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2.2、仲裁段
与CAN不同，CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，为常显性。IDE用于区分标准帧和扩展帧。

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标准帧仲裁段由11位ID和r1位（显性）、IDE（显性）组成，总共13位。
扩展帧仲裁段由29位ID和SRR（隐性）、IDE（隐性）、r1位（显性）组成，总共32位。

SRR：替代CAN标准帧中的RTR位；

IDE：扩展帧标志位；

r1：保留位，为显性。

2.3、控制段
CAN FD与CAN有着相同的IDE、res和DLC位，同时增加了FDF、BRS、ESI三个bit位。

FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 数据帧中的保留位 r。表示 CAN 报文还是 CAN-FD 报文，FDF 位常为隐性（1），表示 CAN FD 报文；

BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率转换，当 BRS 为显性位（0）时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致（恒定速率），当 BRS 为隐性位（1）时速率可变（即 BSR 到 CRC 使用转换速率传输）；

ESI 位（Error State Indicator）：发送节点错误状态指示，主动错误时发送显性位（0），被动错误时发送隐性位（1）。

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2.4、数据段
CAN FD兼容CAN的数据格式，同时最大还能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在传统CAN中一样，CAN FD DLC是4位，表示帧中数据字节的数量。为了维持4位DLC，CAN FD使用从9到15的其余7个值来表示所使用的数据字节数（12、16、20、24、32、48、64）。

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2.5、CRC段
传统CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CAN FD中由固定填充位FSB（6/7位）、填充位计数（4位）、CRC（17/21位）和CRC界定符（1位）组成，总共28或33位组成。在传统CAN中，CRC中可以包含0到3个填充位，而在CAN FD中，总是有4个固定填充位以提高通信可靠性。

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固定填充位（FSB)：CRC段中每4个位固定填充一个与上位相反的位。

采用CRC17时，FSB为6个位；

采用CRC21时，FSB为7个位。

填充位计数：由填充位计数（3位）和奇偶校验位（1位）组成。

CRC：

报文长度小于16时，采用CRC17，17位组成；

报文长度大于16时，采用CRC21，21位组成。

CRC界定符：固定为隐性位；从该位采样后，切换为仲裁域波特率。

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2.6、ACK段
ACK紧跟着CRC结束标识位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的识别，由ACK位和ACK界定符位组成。

ACK：接收节点应答位，接收节点应应答显性位；

ACK界定符，固定为隐性。

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2.7、帧结束
与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位。
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一帧CAN FD报文位数
根据CAN FD帧结构组成，可以算出一帧CAN FD报文位数：

CAN FD报文位数 = 帧起始（1位）+ 仲裁段（13/32位）+ 控制段（8位）+ 数据段（0~512位）+ CRC段（28/33位）+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）

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影响报文位数主要为仲裁段（帧ID长度）和数据段（CRC段受数据段长度影响）。通过帧类型、帧长度组合出不同情况报文位数：

标准帧，数据0字节
帧起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 数据段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）= 59位

标准帧，数据64字节
帧起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 数据段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）= 576位

扩展帧，数据0字节
帧起始（1位）+ 仲裁段（32位）+ 控制段（8位）+ 数据段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）= 78位

扩展帧，数据64字节
帧起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 数据段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）= 590位
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精品专栏仲裁域和数据域位数
由于CANFD采用了双波特率形式：标准波特率（也称仲裁域波特率）和数据域波特率，所以帧结构中不同段采用的波特率也不同。

仲裁域波特率所占位数帧起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段的EDL、r0、BRS(3位)+ ACK段（2位）+ 帧结束（7位）

数据域波特率所占位数控制段的ESI、DLC(5位)+ 数据段（0~512位）+ CRC段（28/33位）

主要说明的是，BRS位和CRC界定符位均同时使用了两个波特率：

BRS位：由**仲裁域波特率 * 仲裁域采样点 + 数据域波特率 * （1 - 仲裁域采样点）**组成；

CRC界定符：由**数据域波特率 * 数据域采样点 + 仲裁域波特率 * （1 - 数据域采样点）**组成。

此处将BRS认定采用仲裁域波特率、CRC界定符采用数据域波特率以方便计算。
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位填充
当然，上述报文位数中，还未包含填充位个数。在CAN/CAN FD协议中规定：每5个相同的位就必须填充一个相反位，该位即为填充位。

我们知道字节0x55或0xAA，其二进制分别为0101 0101或1010 1010，也就是每个位与上一位均相反，若此时ID和数据均为0x55或0xAA，则可以使填充位个数最少。

同理，字节0xFF或0x00，其二进制位1111 1111或0000 0000，也就是所有位均一致，若此时ID和数据均为0x00或0xFF，此时报文的填充位个数最多。
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不同类型报文位数
基于以上报文位数的计算，我们可以得出算出不同类型报文所占位数，如下表所示：

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从上表可知：

当报文为CAN FD标准帧ID为0x555，数据长度为0时，报文位数最少，为59位；

当报文为CAN FD扩展帧ID为0x0，数据长度为64字节，数据全为0xFF时，报文位数最多，为703位。

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CAN FD报文时间计算
最后，可以根据波特率算出不同类型报文时间了，计算公式如下：

报文时间 = 仲裁域位时间 * 仲裁域位数 + 数据域位时间 * 数据域位数
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以位数最少的CANFD报文为例，在仲裁域波特率为1Mbps（位时间1us），数据域波特率为5Mbps（位时间200ns）时，其报文时间 = 1us * 26 + 33 * 200ns = 32.6us。

那么一秒钟最多可以发送报文呢？由于报文发送成功后，需经过帧间隔（3个位）后才能发送下一帧报文，也就说仲裁段要在原来基础上加3个位，就可以算出每秒发送多少帧了。那么上述位数最少报文的发送时间耗时 = 1us * （26 + 3） + 33 * 200ns = 35.6us，也就是1秒钟最多可以发送1000000us / 35.6us = 28089帧报文。也就是说，1M/5M波特率下，发送CAN FD标准加速帧，最多可以发送28089帧。
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下面我们给出一些常用波特率下，不同类型报文每秒最多可以发送的CANFD报文帧数（下表中报文BRS位为1，ESI位为0），供大家参考。

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