點擊上方藍字談思實驗室

獲取更多汽車網絡安全資訊

經典CAN協議，也就是傳統CAN規定的最高速率是1Mb/s,汽車中目前實際應用的最高速率是500Kb/s，這個速度對于大部分ECU之間的數據通信已經夠用了。

但是隨著汽車智能化的發展，ECU軟件的代碼量越來越大，ECU間需要傳輸的數據也越來越多，經典CAN的速率在某些情況下就顯得不夠用了。

比如ECU的軟件很大時，通過CAN刷寫軟件的速度就會很慢，甚至可能超過1個小時；再比如ADAS、BMS等要求大數據、低延遲數據傳輸時可能速度也不夠用。

在這種情況下，由于已有的CAN網絡架構不方便整體更改，是否可以采取臨時的方案，只把單個ECU改為CAN FD？

這樣更改后的ECU在軟件刷寫或診斷或大數據通信時，使用CAN FD通信，而正常的功能數據通信時還是使用傳統CAN。

也就是說CAN FD是否能兼容經典CAN，CAN FD節點是否可以與經典CAN節點在同一網絡中混合使用？

要想知道CAN FD是否可以與CAN兼容，我們首先要知道CAN FD到底改了什么？

根據CAN的通信協議層次劃分，我們首先看下物理層。CAN FD的目的就是盡可能的保持物理層不變，主要對數據鏈路層協議進行更改升級。

所以在電氣特性上CAN FD與CAN兼容，CAN FD也是使用差分雙絞線（CAN_H和CAN_L），也就是說原有CAN總線的雙絞線布線和終端電阻都可以直接沿用。

既然ECU外部的線束和電氣接口不變，那么ECU內部同屬于物理層的收發器是否也不變呢？

CAN收發器的主要職責是將控制器的邏輯電平轉換為總線差分信號，雖然電氣信號的轉換規則是不變的?，但是CAN FD的收發器還是必須要升級。

這是因為CAN FD提升了速率，使數據段的速率可提升至 5-8Mbps，而這個速度影響了收發器的使用。

首先，經典CAN 收發器最高僅支持 1Mbps，上升/下降時間通常≥50ns；CAN-FD 數據段需支持 2~8Mbps，要求邊沿時間≤10~25ns 及更短的傳播延遲，否則高速下波形失真會導致誤碼或總線鎖死 。

經典CAN收發器的速率與邊沿時間是按原來的速度設計的，無法滿足CAN FD高速信號的邊沿要求，無法繼續使用。

另外，CAN FD在高速模式下位時間極短（如 5Mbps 時僅 200ns），傳統收發器較大的內部環路延遲會導致采樣點嚴重偏移，破壞通信同步；CAN-FD 專用收發器優化了延遲對稱性（通常<5ns 偏差）以確保準確采樣 。

所以使用CAN FD后，必須使用專用的CAN收發器，當然收發器是ECU的內部電路，對車輛的CAN網絡的外部電路并沒有影響。

CAN FD收發器示例-TJA1145A

也就是說物理層中只需要改ECU內部的CAN收發器即可，方案上沒有太大問題，接下來我們再看下數據鏈路層。

2.1 CAN FD格式標志位FDF

CAN FD中的FD是Flexible Data Rate的縮寫，表示靈活的數據速率，因此CAN FD最大的特點就是數據速率不是固定的，是可變的！

在CAN網絡中，如果識別出某個節點是CAN FD后，接收數據時就要按照已改變的高速速率處理，如果還是按照原來的低速率接收，收到的就是錯誤的信號。那么如何識別1個報文是CAN還是CAN FD呢？

這就需要在數據鏈路層中增加1個標志位，用于區分CAN和CAN FD。

經典CAN數據幀格式

上圖是經典CAN的數據幀結構，從幀起始SOF到幀結束EOF，中間包括了仲裁場、數據場、CRC場和ACK場。

前面說了，CAN FD最大的特點就是數據速率是可變的，也就是數據場（Data Field）的位傳輸速率是可變的，會變成高速。

所以CAN FD的標志位必須在數據場之前先被識別，否則后面的速率變化就來不及判斷了。

而數據場之前是仲裁場和控制場，這其中的ID、RTR、IDE和DLC都已經有明確的定義，不能更改。

只有r（保留位）沒有實際使用，是為了未來協議擴展預留的，這次剛好用上了，所以CAN FD就把r位重定義為FDF（Flexible Data Rate Format），即CAN FD格式標志位。

r字段重定義為FDF

在經典CAN中，規定發送節點?必須將r強制設為顯性電平（邏輯 0）?，不得發送隱性電平（邏輯 1）。

也就是經典CAN中，r=0,那么將r重定義為FDF后，規定FDF=1時為CAN FD幀，FDF=0時為經典CAN幀，這樣就與原來的r定義保持一致，完美的實現兼容了。

最后到底是不是完美的兼容了？我們后面再說,我們先繼續了解下CAN FD的數據幀結構。

2.2 位速率切換標志BRS?

有了FDF標志位字段是可以識別出CAN FD報文的，但是CAN FD報文的最終目的是要提高數據場的傳輸速率，使數據段的速率最大可提升至8Mbps，從而支持“仲裁場的低速+數據場的高速”傳輸模式。

那么高速數據段具體的速率是如何確定的呢？也就是發送方將速率提高了，接收方是如何知道的呢？

比如原報文的速率是500Kb/s，也就是仲裁場的速率是500Kb/s，然后發送節點把數據場的速率提升到2Mb/s。

首先接收方要知道數據場的速率是否要提高？然后才需要知道提高到多少？

所以首先增加了1個位速率切換標志位BRS（Bit Rate Switch），即BRS=?1表示數據段切換至更高波特率（如提升到2Mb/s），BRS=?0表示全程保持仲裁段波特率(仍然是500Kb/s)。

CAN FD增加了BRS位

如上圖所示，CAN FD協議將r重定義為FDF后，又增加了1個預留位res，用于后續的擴展,在res位之后又增加了BRS位速率切換標志位。

現在接收方收到BRS=1后就會知道數據場的速率已經提高了，但是它并不知道提高到多少?是2M，5M，還是8M？

CAN總線通信是異步通信，雙方的通信速率是提前約定的，比如500Kb/s，這在項目開發前就定好了，收發雙方的控制器都按照500Kb/s傳輸，運行后不能更改。

500Kb/s的速率就表示每個位時間是2us,所以通過位時間可以反向計算出傳輸速率。

而新的傳輸速率就是通過BRS的位時間來計算確定的，BRS是從500k到2M的加速的過度時間，它的位時間比較特殊，既不是500Kb/s的2us,也不是2Mb/s的0.5us。而是兩個時間的組合，BRS位的前一半的位時間按照500Kb/s的速度計算，后一半的位時間按照2Mb/s的速度計算，即BRS的位時間=(2/2)us+（0.5/2）us=1us+0.25us=1.25us;

BRS的位時間波形圖

接收方通過定時器計算出BRS的位時間，再反向計算，就可以計算出數據場的傳輸速率為2Mbit/s。

CAN FD中只有數據場需要高速，其它場不需要高速傳輸，所以具體的高速字段是從控制場中的BRS位到CRC場的DEL分界符為可變速率，其余部分仍為經典CAN總線的速率。

CAN FD的速率分布圖

如上圖所示，報文兩側的仲裁場、大部分控制場和ACK場使用標準的通信速率，而中間的數據場會切換到更高的通信速率。

上圖中可以發現，BRS位是從低速到高速的過渡位，所以它的位時間一分為二，一半按仲裁場的位時間計算，一半按數據場的位時間計算；而與它相似的還有后面的DEL位。

DEL 位指?CRC 界定符（CRC Delimiter）?，是?1 位隱性固定電平（邏輯 1）?，用于?標志 CRC 序列結束，在CAN FD里同時是表示從高速到低速的過渡位，它的位時間的計算原理與BRS相同，DEL的位時間=0.25us+1us=1.25us。

2.4數據長度

除了提高數據傳輸速率外，CAN FD還擴展了數據長度，它將一幀的數據長度從最大8個字節改為了64個字節，這項更改不僅可以增加信號數量，還可以解決長信號的傳輸問題，比如說PEPS、EMS的密鑰信息、診斷信息等。

數據長度的更改是通過控制場中DLC的重新定義實現的，在經典CAN中，DLC是4位二進制數，0000-1000表示0-8，大于8仍然被解析為8；而CAN-FD中將大于8的數值重新做了定義，如下表所示：

CAN與CAN-FD的DLC解析對比（黃色為不同部分）

由于CAN FD單幀數據長度增加，相當于原來CAN的多幀共用一個仲裁場，這減少了仲裁的開銷，提高了傳輸效率。

數據場最大值改為512bit

如上圖所示，數據場的最大值由64bit（8Byte）改為512bit,即512/8=64 Byte。

另外，順便說一下，CAN FD在BRS后面還增加了1個ESI位（Error State Indicator），表示錯誤狀態指示器，這個標志位用于告知接收節點?發送該幀的節點當前是否處于“錯誤被動”狀態。

ESI = 0（顯性）?：發送節點處于?錯誤主動?狀態（Error Active，TEC ≤ 127），可正常發送主動錯誤標志。

?ESI = 1（隱性）?：發送節點處于?錯誤被動?狀態（Error Passive，TEC > 127），發送時只能發被動錯誤標志，且需額外等待延遲期。

2.5是否可以混和使用

現在我們了解了CAN FD數據鏈路層協議的主要更改內容，還是回到最初的問題，就是CAN FD和經典CAN是否可以混合使用？

從CAN FD的協議來看，關鍵是FDF位(Flexible Data Rate Format)，也就是原來的res位。這個位如果雙方都能識別，那么后面的處理就方便多了。

前面說了，在經典CAN中，規定發送節點?必須將res位強制設為 0?，不得發送1。而res改為FDF后，規定FDF=1時為CAN FD幀，FDF=0時為經典CAN幀，這樣看來貌似可以識別。

但是發送節點雖然是這樣定義的，但是經典CAN中的?接收節點卻并?不對其值進行校驗或邏輯判定?，無論收到 0 或 1 均會按正常幀處理，也就是說經典CAN的接收節點是無法識別出CAN和CAN FD報文的！

如果經典CAN網絡里面一旦出現1個CAN FD幀，會因為CAN FD報文多了BRS、ESI等控制位被認為是格式錯誤，其它節點會發送錯誤幀。所以經典CAN網絡中是不能假加入CAN FD控制器的。

也就是說CAN FD和經典CAN是不能混合使用的！

CAN FD與經典CAN相比，保持仲裁場的速度不變，通過提高數據場的傳輸速度，提高了整個報文的傳輸速度；同時通過提高數據字節長度（8->64),提高了報文的傳輸效率。

雖然CAN FD與經典CAN之間可以通過FDF（Flexible Data Rate Format）標志位（1=CAN FD，0=CAN）進行識別區分。但是由于經典CAN的接收節點并沒有對這個標志位（新的FDF=原來的res）進行判斷和差別處理，所以經典CAN無法識別出CAN FD，會把CAN FD當作錯誤幀處理，引起網絡故障，所以CAN FD和CAN不能混合使用！