第16章_瑞萨MCU零基础入门系列教程之CAN 协议

news2025/3/3 18:16:41

本教程基于韦东山百问网出的 DShanMCU-RA6M5开发板进行编写，需要的同学可以在这里获取： https://item.taobao.com/item.htm?id=728461040949

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瑞萨MCU零基础入门系列教程汇总： https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132779862

第16章 CAN 协议

本章目标

了解 CAN 协议的基本常识以及和 CAN-FD 的差异；
了解 CAN-FD 协议的帧格式；

16.1 CAN 协议概要

瑞萨对于CAN协议的入门写了一本很好的入门书，是面向CAN总线初学者。对于CAN是什么、CAN的特征、标准规格下的位置分布等、CAN的概要及CAN的协议都进行了说明。

CAN是Controller Area Network 的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898 及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

16.2 CAN FD 简介

CAN协议自1986年问世以来就很流行：如今几乎任何可移动的机器都使用CAN，无论是汽车、卡车、轮船、飞机还是机器人。但是随着现代科技的兴起，对“传统”的CAN协议（ISO11898-1:2015中使用的官方术语）的要求越来越高：

通常整车CAN网络负载大大超过推荐值(50％)
CAN消息中只有大约40-50％的带宽用于实际数据传输
总线速率通常被限制在1Mbit/s，在实际使用中的速度更低，大多数情况下为500Kbit/s；在J1939网络中使用250Kbit/s
最大总线速度受响应机制限制，即错误帧，ACK等
ACK延迟 = 收发器延迟+总线传播延迟

基于上述缺点，最直接的办法就是使用下一代总线FlexRay，这样可以一劳永逸的解决这一难题。但如果将原来所有的CAN节点全部升级为FlexRay节点，带来巨大的硬件开销，软件通讯移植开发，以及漫长的开发周期。

具体而言，传统CAN的开销很大（>50%），因为每个CAN数据帧只能包含8个数据字节。此外，网络速度限制为1Mbit/s，从而限制了数据生成功能的实现。CAN FD解决了这些问题，使其具有前瞻性。

为了缩小CAN网络(Max:1MBit/s)与FlexRay(Max:10MBit/s)网络的带宽差距，BOSCH推出了CAN FD方案。CAN FD(CAN with Flexible Data rate)继承了CAN总线的主要特性。

16.3 CAN-FD 协议解析

16.3.1 CAN-FD 的优势

CAN 总线采用双线串行通讯协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制使 CAN 总线有很高的安全性，但 CAN 总线带宽和数据场长度却受到制约。CAN FD 总线弥补了 CAN 总线带宽和数据场长度的制约，CAN FD 总线与 CAN 总线的区别主要表现在：

可变速率

CAN FD 采用了两种位速率：从控制场中的 BRS 位到 ACK 场之前（含 CRC 分界符）为可变速率，其余部分为原 CAN 总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位 TQ 外，位时间各段的分配比例也可不同。

新的数据场长度

CAN FD 对数据场的长度作了很大的扩充，DLC 最大支持 64 个字节，在 DLC 小于等于 8时与原 CAN 总线是一样的，大于 8 时有一个非线性的增长，所以最大的数据场长度可达 64字节。

16.3.2 CAN-FD 帧格式

与普通 CAN 报文相同，CAN FD 报文一共具有，帧起始 SOF，仲裁段，控制段，数据域，CRC 域，ACK 域，帧结束，共七个部分组成。

CAN与CANFD使用相同的SOF标志位来标志报文的起始。帧起始由单个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步作用。

CAN-FD的仲裁域

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。IDE位仍为标准帧和扩展帧标志位，若标准帧与扩展帧具有相同的前11位ID，那么标准帧将会由于IDE位为0，优先获得总线。

RTR(Remote Transmission Request Bit)：远程发送请求位，RER位在数据帧里必须是显性，而在远程帧里为隐性。
RRS(Remote Request Substitution)：远程请求替换位，即传统CAN中的RTR位，CAN FD中为常显性。

CAN-FD的控制域

控制域中CANFD与CAN有着相同的IDE，res，DLC位。同时增加了三个控制bit位，FDF、BRS、ESI。

FDF(Flexible Data Rate Format)：原CAN数据帧中的保留位r。FDF常为隐性，表示CAN FD报文。
BRS( Bit Rate Switch)：位速率转换开关，当BRS为显性位时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致，当BRS为隐性位时数据段的位速率高于仲裁段的位速率。
ESI(Error State Indicator)：错误状态指示，主动错误时发送显性位，被动错误时发送隐性位。
DLC数据域长度位，CAN FD同样使用4bit来确认报文数据场的长度。