? 引入CAN FD協議的背景及其標準化

隨著電子、半導體、通訊等行業的快速發展，汽車智能化的訴求也越來越強。為了提高汽車的安全性和舒適性，實現汽車的電動化和智能化，以及增強網路連接，汽車製造商將越來越多功能集成到了汽車上,ECU（電子控制單元）大量地增加使匯流排負載率急劇增大。

目前在市場上的商用車中廣泛使用的是車載網路CAN(Controller Area Network)。但是由於CAN匯流排的最高傳輸速率為1Mbit/s（通常汽車CAN系統的實際使用速率最高為500kbit/s），ECU大量增加使匯流排負載率急劇增大以致造成網路擁堵，影響信息傳輸的可靠性和實時性。為了滿足日益增長的汽車網路需求，所以我們需要能夠傳輸更多信息的高速車載網路。

因此，在2012年Bosch發布了CAN的替代匯流排CAN FD（CAN with Flexible Data rate，靈活數據傳輸率）協議。

2015 年 ，國際標準化組織（ISO）正式發布支持CAN FD的11898-1協議。與此同時，這需要將CAN收發器支持超過1Mbit/s的技術標準化，目前已經由 ISO 11898-2 完成。另外ISO 11898-2草案也已經成功通過了委員會投票。新的ISO 11898-2標準包含著ISO 11898-5格式定義 (低功耗功能)和 ISO 11898-6 (可選喚醒功能)。

? CAN FD的用例

首先是傳輸速率方面，CAN FD比CAN更加快。ECU是汽車的大腦，如果ECU大量增加，處理器ROM容量也將隨之增加。在進行ECU研發時，需要將軟體寫入ROM，這個寫入的過程是通過CAN來完成的。但是，通過CAN重寫大容量的軟體，需要花費非常長的時間。因此，我們正在研究引入速度更快的CAN FD。

其次是帶寬方面，CAN FD更加能滿足需求。由於功能不斷增加，CAN匯流排的負荷將逐漸達到極限，從而出現延遲時間增加和網路帶寬不足（網路傳輸能力較差）。在這種情況下，根據功能來劃分局部網路的方式可以解決帶寬不足的問題。CAN的最高傳輸速率可達1Mbps, CAN FD可達 8Mbps，如果用CAN FD來代替CAN，就不必為瞭解決帶寬問題而使用劃分局部網路的方式了。

最後是信息安全方面。對車載通信敏感數據的認證和完整性保護，是確保車輛通信系統安全的必要條件。基於當前國外主流的汽車電子軟體開發規範AUTOSAR，對安全車載通信的機理進行詳細研究並加以實現。實驗證明，SecOC安全通信機制能夠對車內匯流排上傳輸的數據進行安全保護。以往的車輛CAN匯流排通信傳輸的都是未經加密的數據，一旦被第三方侵入，便可直接讀取車輛的關鍵數據，如轉速、轉向、剎車等信息，一旦被非法利用，後果不堪設想。而在CAN FD中，幾乎毫不費力就能實現多個節點的加密數據傳輸，這個方法同時也可以適配現存的Autosar環境。

除了替換現有的 CAN之外, 還應該考慮使用新的應用程序和附加網路, 如高度安全的駕駛輔助系統和部分感測器網路。

? CAN FD 的概要

CAN匯流排採用雙線串列通訊協議，基於非破壞性仲裁技術，分散式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制使CAN匯流排有很高的安全性。CAN FD是由CAN擴展而來的通信協議，繼承了的CAN匯流排主要特性的同時，還能夠快速的傳輸更多數據。

在CAN中，所有的數據都以固定的幀格式發送。幀類型有五種，其中數據幀包含數據段和仲裁段。

當多個節點同時向匯流排發送數據時，對各個消息的標識符（即ID號）進行逐位仲裁，如果某個節點發送的消息仲裁獲勝，那麼這個節點將獲取匯流排的發送權，仲裁失敗的節點則立即停止發送並轉變為監聽（接收）狀態。

在同一條CAN線上，所有節點的通信速度必須相同。這裡所說的通信速度，指的就是比特率。

也就是說，CAN在仲裁階段，用於仲裁ID號的仲裁段和用於發送數據的數據段，比特率是必須相同的。

而CAN FD 協議對於仲裁段和數據段來說有兩個獨立的比特率。即在仲裁段採用標準CAN位速率通信，在數據段採用高速率通信，這樣一來縮短了位時間，從而提高了位速率。這就是CAN FD（靈活數據傳輸率）的起源。

數據段的最大比特率並沒有明確的規定，很大程度上取決於網路拓撲和ECU系統等。不過在ISO 11898-2：2016標準中，規定比特率最高可達5 Mbps的時序要求。汽車廠商正在考慮根據應用軟體和網路拓撲，使用不同的比特率組合。

例如，在診斷和升級應用中，數據段的比特率可以使用5Mbps，而在控制系統中，可以使用500kbps至2Mbps。相對於傳統CAN報文有效數據場的8位元組,CAN FD對有效數據場長度作了很大的擴充,數據場長度最大可達到64bytes（協議的細節將在後面描述）。可在如星型，匯流排型，點對點等的網路拓撲中使用。

?CAN FD 協議

接下來將繼續說明關於CAN FD協議。以從CAN的演變部分為中心，解釋CAN FD的幀類型和、幀結構以及幀中每個欄位。

1.幀類型

CAN FD僅定義了數據幀，與傳統CAN相比，取消了遠程幀的支持。原因是在沒有數據的情況下，遠程幀沒有必要改變數據段的比特率。

與CAN一樣，數據幀分為「標準幀（11位ID）」和「擴展幀（29位ID）」格式。從BRS（Bit Rate Switch）到CRC分界符之間為可變速率。在下面的圖中，類似於CAN的比特率部分以橙色顯示，可變速率以藍色顯示。

來源：Vector Japan

CAN FD的標準幀和擴展幀格式。橙色表示與CAN的傳輸速度相同，藍色表示可加速傳輸速度。

由於篇幅關係，本章僅講述到幀類型，在下一章中，將為大家詳細闡述由7位區域構成的幀結構。


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