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2018年08月22日 | CAN FD的全面升级
2018-08-22
众所周知，CAN FD是基于CAN 2.0的升级版协议，为了满足汽车电子日益增长的高带宽和高传输速率的要求，CAN FD主要升级了以下几个方面：
一、更高的传输波特率
图 1 可变数据段波特率结构
CANFD速率包含两个段的速率，一个是仲裁段和ACK段，沿用CAN2.0的规范，最高速率为1Mbit/s，中间的数据段是可以加速的，标称可以达到5Mbit/s，甚至更高。
二、更高效的数据段
对于汽车电子来说，对车辆动力系统、地盘以及主被动系统来说，加长的数据段避免了数据非必要的拆分，大大提升了CAN帧的传输效率。
图 2 CAN FD高效的数据段
三、更可靠的CRC校验和额外的控制位
在传统的CAN 2.0中，由于填充规则会对CRC产生干扰，在CAN FD中升级了算法，将填充位加入多项式的运算，主要作为格式检查，考虑数据长度变化的区间很大，CRC也根据区间会生成两种校验算法，当帧长小于210位，使用CRC_17，当帧长小于1023位，使用CRC_21位算法。
图 3 可靠的CRC校验
另外在CAN FD中利用了部分保留标志位，新增三种控制位，包括ED（是否是CANFD帧）、BRS（是否可变速率）以及ESI（错误状态），丰富帧内的有用信息。
图 4 新增控制位
接下来我们回到正题，升级后的CAN FD到底能跑多快呢？直接讲参数很肤浅的，我们要分析......那我们就用一个问题开始，大家都知道CAN 2.0最高速率可以到1M，但是为什么汽车电子高速CAN只跑到500K呢？
对于CAN总线的传输速率来讲，传输距离和传输速率是成反比的，一般来说传输距离（m）=（50000/波特率kbps）*0.8，如图 5所示。
图5 传输距离和传输速率的关系。
那收发器和传输距离到底关系何在？刚才提到，收发器输出是电平值，电平在传输的过程中难免衰减，线缆本身的阻抗和容抗无法避免，其次首尾终端电阻也是必要的，主要有两个功能：
首尾120欧姆终端电阻，保证阻抗连续性（防止电信号反射）；
放电作用；
针对终端电阻放电作用，我们下面从两个层面分析：
电平传输层面分析
图 6 CAN FD波形
我们先来看一个CANFD分解波形，其中是由显隐性电平构成的，其中上升沿是由CAN收发器芯片本身驱动的。当显性电平转变为隐形电平的时候，需要终端电阻放电，所以下降沿是我们的终端电阻放电的造成的。
图 7 负载电阻与差分幅值的关系
如果下降沿缓慢是什么原因导致？
检查收发器外围电路是否存在容性较大的器件（不影响电路正常工作的情况下拆除），重新测试波形是否正常；
检查线缆的参数，每米容抗是否在正常范围内，正常线缆电容在40-70pF/m，容抗太大，建议更换线缆；
增加终端电阻放电，建议采用专业设备测试网络阻抗容抗做正确匹配。
图8 CANscope总线阻抗容抗测试
四、总线网络数据能否正确传输层面
阻抗太大，电压幅值压降太大，传输距离大大降低。现象就是在手牵手的网络拓扑中，当然差分辅幅值最好不要低于1.3V，防止在强干扰的环境下，导致收发器无法识别或误识别总线信号。
容抗也是影响下降沿的重要因素，如果下降沿太缓慢会导致位宽拉长，导致收发器错误识别，导致0/1的翻转，CAN总线是错误重发的机制，会一直重发，直到这一帧被正确接收。
图 9 电容对下降沿的影响
同样的我们回到阻抗和容抗的匹配是如何影响CAN FD的传输速率的呢，接下来我们用实测证明：
图 10 稳定时间140ns
前面我也提到5M数据速率时，位时间是200ns,，实际传输过程中，一位时间包含了上升沿、下降沿以及数据稳定时间，如图 15所示，数据稳定时间按是140ns，那其中上升沿和下降沿占了60ns，理想情况下，上升沿和下降沿完全对称，其中上升沿时间是30ns，按照边沿极限值12%计算，实际算出来的位时间=30/（12/100）=250ns，那么相对应的传输波特率就=1/250ns=4M波特率，所以实际5M波特率也就是在测试使用，如果按照7%的边沿时间为安全值来计算，实际的位时间=30/（7/100）约等于42ns，相对应的传输波特率=1/42ns约等于2.3M，所以想要实际在工况下稳定可靠传输，数据端波特率在2M左右比较合理。
综上所述，影响CAN FD到底能传输多快影响的因素非常多，也是我们大多数工程师在实际CAN总线开发的过程中会忽略的问题，如果需要CAN总线的相应的产品解决方案，随时致电我们，期待与您的探讨和交流。
史海拾趣
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