CAN FD網絡中每秒最多可以發送多少幀報文？

隨著總線技術在汽車電子領域越來越廣泛和深入的應用，特別是自動駕駛技術的迅速發展，汽車電子對總線寬度和數據傳輸速率的要求也越來也高，傳統CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已難以滿足日益增加的需求。

因此在2012年，Bosch發布了新的CAN FD標準 (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD繼承了CAN的絕大多數特性，如同樣的物理層，雙線串行通信協議，基于非破壞性仲裁技術，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制等，同時CAN FD彌補了CAN在總線帶寬和數據長度方面的不足。

2015年6月30日，國際標準化組織（ISO）已經正式認可CAN?FD，并無反對票通過ISO 11898-1作為國際標準草案。

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什么是CAN FD？

CAN FD協議是由Bosch以及行業專家預研開發的，并于2012年發布。通過標準化對其進行了改進，現已納入ISO 11898-1:2015。一開始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4個主要優點：

1、增加了數據的長度

CAN FD每個數據幀最多支持64個數據字節，而傳統CAN最多支持8個數據字節。這減少了協議開銷，并提高了協議效率。

2、增加傳輸的速度

CAN FD支持雙比特率：與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率。

3、更好的可靠性

CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。這在汽車和工業自動化等安全攸關的應用中至關重要。

4、平滑過渡

在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節點，從而為OEM簡化程序和降低成本。

實際上，與傳統CAN相比，CAN FD可以將網絡帶寬提高3到8倍，從而為數據的增長提供了一種簡單的解決方案。

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CAN FD幀結構

CAN FD節點可以正常收、發CAN報文，但CAN節點不能正確收、發CAN FD報文，因為其幀格式不一致。

與CAN一樣，CAN FD一共具有：幀起始，仲裁段，控制段，數據段，CRC段，ACK段和幀結束，7部分組成。

2.1、幀起始

CAN與CANFD使用相同的SOF標志位來標志報文的起始。幀起始由1個顯性位構成，標志著報文的開始，并在總線上起著同步作用。

2.2、仲裁段

與CAN不同，CAN FD取消了對遠程幀的支持，用RRS位替換了RTR位，為常顯性。IDE用于區分標準幀和擴展幀。

標準幀仲裁段由11位ID和r1位（顯性）、IDE（顯性）組成，總共13位。

擴展幀仲裁段由29位ID和SRR（隱性）、IDE（隱性）、r1位（顯性）組成，總共32位。

• SRR：替代CAN標準幀中的RTR位；

• IDE：擴展幀標志位；

• r1：保留位，為顯性。

2.3、控制段

CAN FD與CAN有著相同的IDE、res和DLC位，同時增加了FDF、BRS、ESI三個bit位。

• FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r。表示 CAN 報文還是 CAN-FD 報文，FDF 位常為隱性（1），表示 CAN FD 報文；

• BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉換，當 BRS 為顯性位（0）時數據段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當 BRS 為隱性位（1）時速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉換速率傳輸）；

• ESI 位（Error State Indicator）：發送節點錯誤狀態指示，主動錯誤時發送顯性位（0），被動錯誤時發送隱性位（1）。

2.4、數據段 

CAN FD兼容CAN的數據格式，同時最大還能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在傳統CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數據字節的數量。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個值來表示所使用的數據字節數（12、16、20、24、32、48、64）。 

編輯

2.5、CRC段

傳統CAN中的循環冗余校驗（CRC）為15位，而在CAN FD中由固定填充位FSB（6/7位）、填充位計數（4位）、CRC（17/21位）和CRC界定符（1位）組成，總共28或33位組成。在傳統CAN中，CRC中可以包含0到3個填充位，而在CAN FD中，總是有4個固定填充位以提高通信可靠性。

固定填充位（FSB)：CRC段中每4個位固定填充一個與上位相反的位。

• 采用CRC17時，FSB為6個位；

• 采用CRC21時，FSB為7個位。

填充位計數：由填充位計數（3位）和奇偶校驗位（1位）組成。

CRC：

• 報文長度小于16時，采用CRC17，17位組成；

• 報文長度大于16時，采用CRC21，21位組成。

CRC界定符：固定為隱性位；從該位采樣后，切換為仲裁域波特率。

2.6、ACK段

ACK緊跟著CRC結束標識位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的識別，由ACK位和ACK界定符位組成。

• ACK：接收節點應答位，接收節點應應答顯性位；

• ACK界定符，固定為隱性。

2.7、幀結束

與CAN一樣，CAN FD的幀結尾也為連續7位的隱性位。

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一幀CAN FD報文位數

根據CAN FD幀結構組成，可以算出一幀CAN FD報文位數：

CAN FD報文位數 = 幀起始（1位）+ 仲裁段（13/32位）+ 控制段（8位）+ 數據段（0~512位）+ CRC段（28/33位）+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）

影響報文位數主要為仲裁段（幀ID長度）和數據段（CRC段受數據段長度影響）。通過幀類型、幀長度組合出不同情況報文位數：

• 標準幀，數據0字節

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數據段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）= 59位

• 標準幀，數據64字節

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數據段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）= 576位

• 擴展幀，數據0字節

幀起始（1位）+ 仲裁段（32位）+ 控制段（8位）+ 數據段（0位）+ CRC段（28位）+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）= 78位

• 擴展幀，數據64字節

幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段（8位）+ 數據段（512位）+ CRC段（33位）+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）= 590位

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精品專欄仲裁域和數據域位數

由于CANFD采用了雙波特率形式：標準波特率（也稱仲裁域波特率）和數據域波特率，所以幀結構中不同段采用的波特率也不同。

• 仲裁域波特率所占位數幀起始（1位）+ 仲裁段（13位）+ 控制段的EDL、r0、BRS(3位)+ ACK段（2位）+ 幀結束（7位）

• 數據域波特率所占位數控制段的ESI、DLC(5位)+ 數據段（0~512位）+ CRC段（28/33位）

主要說明的是，BRS位和CRC界定符位均同時使用了兩個波特率：

• BRS位：由**仲裁域波特率 * 仲裁域采樣點 + 數據域波特率 * （1 - 仲裁域采樣點）**組成；

• CRC界定符：由**數據域波特率 * 數據域采樣點 + 仲裁域波特率 * （1 - 數據域采樣點）**組成。

此處將BRS認定采用仲裁域波特率、CRC界定符采用數據域波特率以方便計算。

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位填充

當然，上述報文位數中，還未包含填充位個數。在CAN/CAN FD協議中規定：每5個相同的位就必須填充一個相反位，該位即為填充位。

我們知道字節0x55或0xAA，其二進制分別為0101 0101或1010 1010，也就是每個位與上一位均相反，若此時ID和數據均為0x55或0xAA，則可以使填充位個數最少。

同理，字節0xFF或0x00，其二進制位1111 1111或0000 0000，也就是所有位均一致，若此時ID和數據均為0x00或0xFF，此時報文的填充位個數最多。

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不同類型報文位數

基于以上報文位數的計算，我們可以得出算出不同類型報文所占位數，如下表所示：

從上表可知：

• 當報文為CAN FD標準幀ID為0x555，數據長度為0時，報文位數最少，為59位；

• 當報文為CAN FD擴展幀ID為0x0，數據長度為64字節，數據全為0xFF時，報文位數最多，為703位。

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CAN FD報文時間計算

最后，可以根據波特率算出不同類型報文時間了，計算公式如下：

報文時間 = 仲裁域位時間 * 仲裁域位數 + 數據域位時間 * 數據域位數

以位數最少的CANFD報文為例，在仲裁域波特率為1Mbps（位時間1us），數據域波特率為5Mbps（位時間200ns）時，其報文時間 = 1us * 26 + 33 * 200ns = 32.6us。

那么一秒鐘最多可以發送報文呢？由于報文發送成功后，需經過幀間隔（3個位）后才能發送下一幀報文，也就說仲裁段要在原來基礎上加3個位，就可以算出每秒發送多少幀了。那么上述位數最少報文的發送時間耗時 = 1us * （26 + 3） + 33 * 200ns = 35.6us，也就是1秒鐘最多可以發送1000000us / 35.6us = 28089幀報文。也就是說，1M/5M波特率下，發送CAN FD標準加速幀，最多可以發送28089幀。

下面我們給出一些常用波特率下，不同類型報文每秒最多可以發送的CANFD報文幀數（下表中報文BRS位為1，ESI位為0），供大家參考。