CAN总线详解（四）CANFD报文结构

一、CANFD简介

传统CAN网络中，每个CAN报文最多能够携带8个字节数据，CAN总线最大支持1Mbit/s的通信速率，很难满足高速率、高效率数据传输的需求。
CANFD能支持更高的传输速率，采用的是可变速率传输，可以将CANFD报文分为两个部分，仲裁段和数据段，在仲裁段，CAN总线上可能会存在多个发送节点，会使用较低的通信速率，而数据段则结束了仲裁过程，总线上只有一个节点在发送数据，传输速率可以切换到一个更高的值，CANFD最大可支持8Mbit/s的通信速率
第二个改善是CANFD数据场的扩充，传统数据场最多8个字节，而CANFD报文的数据场长度最大可达到64个字节，此外，基于CANFD的ECU相对于传统CAN的ECU，在硬件方面的改动较小，首先CANFD沿用改动较小的CAN的物理层，同样使用双绞线通信，物理电平与数字信号的转换与传统高速CAN的物理层是一致的，如果原先的CAN的收发器，它能够支持较高速率通信的话，就不需要进行更换，而CANFD在协议层面与传统的CAN有所变动，这是需要使用能够支持FD报文解析的新的CAN的控制器

 
二、CANFD报文类型

CANFD报文的类型，在传统的CAN协议中，CAN报文的内容有四种类型，CAN标准帧、CAN远程帧、CAN扩展帧以及CAN扩展远程帧，而CANFD设计的初衷就是通过更大的数据场来提高数据传输的效率，因此在FD中取消了远程帧这种数据类型，只有两个格式，CANFD标准帧以及CANFD扩展帧，CANFD标准帧的特点是ID是11位，数据场长度是0-64个字节，CANFD扩展帧相对于其标准帧来说，将11位的ID扩展为29位，数据场的长度依然是0-64个字节

 
三、CANFD帧结构

CANFD的帧结构在CAN协议帧结构的基础上增加了几个标志位，以及为了完善协议，作了一些改动

  因为CANFD是不存在远程帧这种报文格式的，原先CAN报文中用于区别远程帧和标准帧的RTR位，在CANFD报文中则成为了一个保留位，就是RRS远程请求替代位，默认值是0，CANFD报文增加了一个用来区别传统CAN报文以及CANFD报文的标志位FDF位，这一位的值等于0时，表示它是一个传统CAN报文，当这一位的值等于1时，表示它是一个CANFD报文。

  在CANFD中同样是有扩展帧这种报文类型的，因此它和传统的CAN一样，使用IDE扩展符标志位来区别标准帧和扩展帧。IDE=0时，表示CANFD标准格式报文，这一位的值等于1时，则表示CANFD扩展帧报文，CANFD扩展帧与传统CAN报文扩展帧的结构是类似的，扩展帧中29位的报文ID分为两个部分，高11位的ID与低18位的ID将会分开传输。

  CANFD中增加的第二个标志位是BRS位速率切换位，CANFD通信速率并不是一直维持着较高水平，CANFD通信采用的是可变速率，表示在FD报文的数据段，可以选择较高的速率传输，也可以选择和仲裁段速率相同，当BRS=0时，表示CANFD报文的传输保持一个恒定的速度，不进行传输速度的切换，当BRS=1时，则表示在报文的数据段，比特率会切换到第二种较高的值。

  CANFD增加的第三个标志位是ESI错误状态指示位，在传统的CAN报文中，发送节点的错误状态只有这个节点本身知道，而FD通信中发送节点可以通过发送报文中ESI这个标志位来告知其余的接收节点，它当前的错误状态，当ESI这一位的值等于1时，表示发送节点处于被动错误状态，当这一位的值等于0，表示发送节点处于主动错误状态。

  CANFD报文和传统的CAN报文都使用4个位长度的DLC来标志其数据场长度，当数据场长度在0-8个字节时，采用的是线性的表示方式，DLC取值是多少，就表示数据场有多少个字节的数据，当数据场长度大于8个字节时，DLC则采用的是非线性的表示方式，DLC取值为9~15时，分别表示CANFD数据场长度为12到64之间一些离散取值的长度。

  CANFD相对于传统CAN的较大改变是CRC场的优化，FD报文中CRC场的长度和校验内容与传统CAN是不相同的，首先，由于CANFD报文中数据场的长度有很大的变化区间，CANFD会根据数据场长度的变化而使用不同的CRC校验公式，当数据场长度小于16个字节时，会使用17位的CRC进行校验，当数据场长度大于16个字节时，会使用21位的CRC进行校验，此外，CANFD的CRC校验还会将动态填充位计算在内，而传统的CAN CRC计算是不包含填充位的。

  CANFD相对于传统的CAN在位填充机制上有所改动，CRC场之前和CRC场的位填充方式是不相同的，从SOF开始到数据场的最后一位，CANFD位填充的规则与传统的CAN是一致的，都是遵循每5个相同的位之后填充一个相反位，而CRC场的位填充则采用的是固定位置的位填充方式。CANFD在CRC场的前面增加了4个位，对前面的填充位进行技术校验，这四个位称为Stuff Bit Counter填充位计数，CANFD会统计从SOF开始到数据场结束这一段填充位的个数，将统计的数目进行摩拜运算，结果会以格林编码的形式存放在Stuff Bit Counter高三位中，最后一位则是偶校验位，用于对前面的三位进行校验

  刚才提到，CANFD的CRC场使用的是固定位置的位填充机制，这个机制是这样的，首先在Stuff Bit Counter第一位之前增加一个填充位，该位的取值与前一位的数值相反，之后每隔4个位增加一个填充位，每一个填充位都取前一位的相反值，那么在CANFD报文中，17位的CRC校验就增加了6个固定位置的填充位，21位的CRC就增加了7个填充位

 
三、CANFD示波器波形