更加快速可靠的通信协议：CAN FD（2）深入剖析 CAN FD 帧结构
在上一篇连载中，我们初步认识了CAN FD协议，介绍了其产生背景、概要以及用例。本篇我们将带大家更深入的探究CAN FD，通过对CAN FD的7个帧结构的详细讲解，让大家对CAN FD和CAN的区别有所认识。
CAN FD的帧结构
CAN FD 帧由7个不同的位场组成，帧起始（SOF）、仲裁场、控制场、数据场、CRC校验场、ACK应答场、和帧结尾（EOF），本章介绍每个帧构成及其中包含的字段。
仲裁场。橙色部分表示与CAN的传输速度相同；
来源：Vector Japan
（1）SOF（Star of Frame）帧起始
CAN总线具有两种逻辑状态，隐性和显性。显性表示逻辑”0”,隐性表示逻辑”1”。
从节点发送帧时, 发送的第一个部分为帧开始的部分，表现为显性状态。这一部分被称为 SOF（Start Of Frame）。在SOF，CAN FD与CAN相同，仅有1bit的“显性”位。只有总线空闲时才允许节点发送信号，发送时，SOF将总线从隐性（1）改变为显性（0），所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。对于SOF的定义，CAN FD和CAN是相同的。
SOF(Star of Frame)。橙色部分表示与CAN的传输速度相同
来源：Vector
（2）仲裁场
CAN FD的仲裁场是由Identifier识别符和RRS位构成。CAN FD 与 CAN 相同的地方是，都有Identifier识别符，可用于区别消息的同时又可以表示消息的优先级。不同的是，在CAN FD中使用的RRS位，而CAN中使用的是RTR位。
仲裁场。橙色部分表示与CAN的传输速度相同
来源：Vector
RRS位（Remote Request Substitution）远程请求替换位：即传统CAN中的RTR位
与传统CAN相比，CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，为常显性。
（2）控制场
CAN FD的控制场由IDE位、FDF位、RES位、BRS位和ESI位构成。
与传统CAN相比，CAN FD在控制场中新添加了FDF位、BRS位、ESI位。与CAN相同，IDE位表示扩展帧标志，res位为预留位。
控制场。橙色部分表示与CAN的传输速度相同，蓝色表示可变快速率
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FDF位（FD Format Indicator）：
FDF位在CAN的数据帧中位显性（0），在CAN FD的帧中常为隐形（1），表示CAN FD报文；
BRS位（Bit Rate Switch）：位速率转换开关
当BRS为隐形位（1）时，表示转换可变速率，即发送节点在BRS位的采样点，将会切换到高速传输的时钟模式，其他接收节点也必须转换位时钟模式。在CRC界定符的采样点，所有节点的波特率将会再切换回仲裁场的波特率。也就是说，所有CAN FD节点都有两种类型的波特率。
ESI（Error State Indicator）：错误状态指示
ESI是指示发送节点的错误状态的标志，当发送节点的错误状态是激活时，发送隐性位（1），如果错误状态未激活时，发送显性位（0）。通过ESI位，所有节点都可以确认当前的传输节点的错误状态。 而在CAN帧中，无法得知其传输节点的错误状态。
数据长度编码（DLC: Data Length Code）：
DLC表示传输了多少字节的数据。CAN和CAN FD都具有4位配置。CAN FD对有效数据场长度作了很大的扩充，数据场最大可达64字节。数据长度可以从0到8,12,16,20,24,32,48,64字节中选择。而CAN只有0到8个字节。DLC与数据长度之间的关系如下表所示。不能指定除此处描述之外的数据长度，例如14字节或50字节。
数据长度代码和相应的数据量
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（4）数据场
与CAN一样，数据场由数据帧里的发送数据组成，在数据场中设置发送数据。首先发送最高有效位(MSB)。
数据场。橙色部分表示与CAN的传输速度相同，蓝色表示可变快速率
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（5）CRC校验场
CRC校验场有以下五点发生了变化：
添加Stuff Count
CRC的计算方法
CRC的位长度
位填充规则
接收端CRC界定符的允许位时间
CAN FD的CRC校验场中，添加了新的Stuff Count，CRC也有了17位和21位。本小节介绍新加的Stuff Count和更改后的CRC计算、位填充法以及CRC界定符的变化。
CRC校验场。橙色部分表示与CAN的传输速度相同，蓝色表示可变快速率
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Stuff Count（CAN FD）
Stuff Count。橙色部分表示与CAN的传输速度相同，蓝色表示可变快速率
来源：Vector
Stuff Count由以下两个元素组成：
格雷码计算：CRC区域之前的填充位数除以8，得到的余数（Stuff bit count modulo 8）进行格雷码计算得到的值（Bit0-2）
奇偶校验：通过格雷码计算后的值的奇偶校验（偶校验）
Stuff Count如下表所示。
Stuff Count的编码
CRC
随着数据场的扩大，为了保证信息发送的质量，CAN FD的CRC计算不仅要包括数据段的位，还包括来自SOF的Stuff Count和填充位。通过比较CRC的计算结果，可以判断接收节点是否能够正常接收。
在CAN中，CRC的位数是15位，而在CAN FD中，CRC场扩展到了21位，详见以下：
当传输数据为16字节或更少时：CRC 17位
当传输数据超过16个字节时：CRC 21位
位填充法
与CAN一样，填充位插入到SOF和数据场的末尾之间。插入的填充位数值是经过格雷码计算转换后的值，并且用奇偶校验位保护（Stuff Count）。
在CRC校验场中，填充位被放置在固定的位位置，这称为固定填充位（Fixed Stuff Bit）。固定填充位的值是上一位的反码。
CRC校验场的第一位
每间隔4位添加一个固定填充位
CRC校验场位填充。橙色部分表示与CAN的传输速度相同，蓝色表示可变快速率
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CRC界定符
CRC界定符是表示CRC校验场的结束，是一个1位的常态隐性位。但是，在CAN FD中，考虑到节点之间的位的距离，在接收端允许最大2位时间。CAN FD帧的数据场（可变速段）是CRC界定符的第一位采样点。
（6）ACK应答场
CAN FD的ACK应答场包括应答间隙和应答界定符，其构成和CAN是相同的。不同的是，在CAN中，应答场的长度是1位，但在CAN FD，接收节点利用2位时间将其识别为有效应答。
由从高速的数据场到慢速的仲裁场时，时钟切换会引起收发器相移和总线传播延迟。为了补偿其相移和延迟，相比传统的CAN，在CAN FD中多加了这额外的1位时间。在ACK之后，发送ACK界定符。这是一个表示ACK结束的分隔符，为是1位隐性位。
ACF。橙色部分表示与CAN的传输速度相同
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（7）帧结尾
每一个数据帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7个“隐性”位组成。CAN FD的帧结尾与CAN相同。
EOF。橙色部分表示与CAN的传输速度相同
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CAN FD帧的波形
下图显示了CAN FD帧的波形。从图片可以看出，红框标出的数据段已经加速。
数据段正在加速
来源：Vector
关于CAN FD的连载到此结束，回顾全篇，本文介绍了CAN FD介绍的背景和协议，你能理解CAN FD与CAN的区别了吗？由于CAN FD是基于CAN的扩展，因此在协议方面没有太大差异。
如果有一天真的引入CAN FD，有可能会引进相应的接收器和控制器，除此之外，不仅是数据库会更新，可能对车载网络的整体架构也会产生影响，比如对通信标准和网络架构的重新设计。
此外，随着数据段的波特率加速，EMC也将成为一大挑战。为了应对这个挑战，CiA（CAN in Automation）发布了CiA 601-4，以满足CAN FD 的振铃抑制电路。
为了能够引入CAN FD，我们还需要面对许多挑战，EMC的解决方案，通信标准的变更，相应部件的引入和环境的测试等各种难题。但是，大约在2019年左右，一些汽车制造商将开始大规模生产使用CAN FD汽车。希望这篇文章能够帮助从事汽车网络开发的工程师！
