本文導讀

眾所周知，CAN FD是基于CAN 2.0的升級版協議，為了滿足汽車電子日益增長的高帶寬和高傳輸速率的要求，CAN FD主要升級了以下幾個方面：

1、更高的傳輸波特率

圖1 可變數據段波特率結構

CAN FD速率包含兩個段的速率，其中仲裁段和ACK段沿用CAN2.0的規范，最高速率為1Mbit/s，中間的數據段是可以加速的，標稱可以達到5Mbit/s，甚至更高。

2、更高效的數據段

對于汽車電子來說，對車輛動力系統、底盤以及主被動系統來說，加長的數據段避免了數據非必要的拆分，大大提升了CAN幀的傳輸效率。

圖2 CAN FD高效的數據段

3、更可靠的CRC校驗和額外的控制位

在傳統的CAN 2.0中，由于填充規則會對CRC產生干擾，在CAN FD中升級了算法，將填充位加入多項式的運算，主要作為格式檢查，考慮數據長度變化的區間很大，CRC也根據區間會生成兩種校驗算法，當幀長小于210位，使用CRC_17，當幀長小于1023位，使用CRC_21位算法。

圖3 可靠的CRC校驗

另外在CAN FD中利用了部分保留標志位，新增三種控制位，包括EDL（是否是CAN FD幀）、BRS（是否可變速率）以及ESI（錯誤狀態），豐富幀內的有用信息。

圖4 新增控制位

接下來我們回到正題，升級后的CAN FD到底能跑多快呢？那就用一個問題開始，大家都知道CAN 2.0最高速率可以到1M，但是為什么汽車電子高速CAN只跑到500K呢？

對于CAN總線的傳輸速率來講，傳輸距離和傳輸速率是成反比的，一般來說傳輸距離（m）=（50000/波特率kbps）*0.8，如圖5所示。

圖5 傳輸距離和傳輸速率的關系

實際在總線傳輸的過程中，只有在實際應用環境下穩定傳輸才是重中之重，所以1M波特率在汽車電子會很難，接下來就如何實現高速率的穩定傳輸因素做以下淺析。

首先是CAN收發器，收發器的功能是將邏輯值轉換為電平值，但電平在傳輸的過程中難免衰減，傳輸線纜本身的阻抗和容抗無法避免，尤其是首位終端電阻（基于手牽手拓撲），主要有兩個功能：

• 首尾120歐姆終端電阻，保證阻抗連續性（防止電信號反射）；

• 放電作用。

針對終端電阻放電作用，我們下面從兩個層面分析：

一、電平傳輸層面分析

圖6 CAN FD波形

我們先來看一個CAN FD分解波形，其中是由顯隱性電平構成的，其中上升沿是由CAN收發器芯片本身驅動的。當顯性電平轉變為隱形電平的時候，需要終端電阻放電，所以下降沿是我們的終端電阻放電的造成的。

圖7 負載電阻與差分幅值的關系

如果下降沿緩慢是什么原因導致？

1、檢查收發器外圍電路是否存在容性較大的器件（不影響電路正常工作的情況下拆除），重新測試波形是否正常；

2、檢查線纜的參數，每米容抗是否在正常范圍內，正常線纜電容在40-70pF/m，容抗太大，建議更換線纜；

3、增加終端電阻放電，建議采用專業設備測試網絡阻抗容抗做正確匹配。

圖8 CANscope總線阻抗容抗測試

二、總線網絡數據能否正確傳輸層面

阻抗太大，電壓幅值壓降太大，傳輸距離大大降低。現象就是在手牽手的網絡拓撲中，當然差分幅值最好不要低于1.3V，防止在強干擾的環境下，導致收發器無法識別或誤識別總線信號。

容抗也是影響下降沿的重要因素，如果下降沿太緩慢會導致位寬拉長，導致收發器錯誤識別，導致0/1的翻轉，CAN總線是錯誤重發的機制，會一直重發，直到這一幀被正確接收。

圖9 電容對下降沿的影響

同樣的我們回到阻抗和容抗的匹配是如何影響CAN FD的傳輸速率的呢，接下來我們用實測證明：

圖10 穩定時間140ns

前面我也提到5M數據速率時，位時間是200ns，實際傳輸過程中，一位時間包含了上升沿、下降沿以及數據穩定時間，如圖10所示，數據穩定時間按是140ns，那其中上升沿和下降沿占了60ns，理想情況下，上升沿和下降沿完全對稱，其中上升沿時間是30ns，按照邊沿極限值12%計算，實際算出來的位時間=30/（12/100）=250ns，那么相對應的傳輸波特率就=1/250ns=4M波特率，所以實際5M波特率也就是在測試使用，如果按照7%的邊沿時間為安全值來計算，實際的位時間=30/（7/100）約等于42ns，相對應的傳輸波特率=1/42ns約等于2.3M，所以想要實際在工況下穩定可靠傳輸，數據端波特率在2M左右比較合理。

綜上所述，影響CAN FD到底能傳輸多快影響的因素非常多，也是我們大多數工程師在實際CAN總線開發的過程中會忽略的問題，如果需要CAN總線的相應產品解決方案，歡迎添加微信號：zlgmcu-888，期待與您的探討和交流。