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#CAN #CAN XL

導(dǎo)讀

本文將全面剖析CAN（Controller Area Network）技術(shù)的發(fā)展歷程，從其起源到經(jīng)典CAN（CAN CC）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，再到其后續(xù)的重要迭代——CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）技術(shù)的突破性進展，直至最新技術(shù)CAN XL的驚艷亮相，深入探討CAN技術(shù)如何在汽車和工業(yè)通信領(lǐng)域中持續(xù)演進與革新。

01CAN技術(shù)起源 經(jīng)典CAN（CAN CC）

CAN技術(shù)的出現(xiàn)，源于對實時控制和可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的深切需求。CAN技術(shù)于1986年的汽車工程師協(xié)會（SAE）會議上正式發(fā)布。隨后，博世公司在1991年發(fā)布了首個CAN協(xié)議規(guī)范，標(biāo)志著CAN技術(shù)正式步入規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的軌道。

技術(shù)規(guī)格與性能

經(jīng)典CAN（CAN CC）的最大有效負(fù)載為8字節(jié)，支持高達1Mbit/s的比特率，滿足了當(dāng)時汽車和工業(yè)控制領(lǐng)域的實時通信需求。CAN CC采用了一種非破壞性仲裁的載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）串行通信協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程幀沖突的避免，同時不會造成任何時間損失。此外，CAN CC還具備強大的錯誤檢測和處理機制，對電磁干擾具有較強的抗干擾能力，能夠自動重傳失敗幀，確保系統(tǒng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)一致性。

幀結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議

CAN CC的幀結(jié)構(gòu)也是其成功的重要因素之一。它支持兩種數(shù)據(jù)幀格式：基本幀格式（CBFF）和擴展幀格式（CEFF）。這兩種格式的主要區(qū)別在于CAN標(biāo)識符的長度，CBFF支持11位的CAN標(biāo)識符，而CEFF則支持29位的CAN標(biāo)識符。這種設(shè)計使得CAN CC能夠靈活地應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)和通信場景。

AUI狀態(tài)與仲裁機制

在物理層方面，CAN CC的附加單元接口（AUI）提供了“顯性”和“隱性”兩種可能的狀態(tài)，這些狀態(tài)通常對應(yīng)于邏輯上的“0”和“1”。網(wǎng)絡(luò)邏輯采用了一種“線與”機制，其中顯性位（0）能夠覆蓋隱性位（1），這一機制在仲裁過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

CAN CC數(shù)據(jù)幀由幀起始（SOF）、仲裁段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC字段、ACK字段和幀結(jié)束（EOF）等部分組成。其中，仲裁段包含標(biāo)識符和RTR（遠(yuǎn)程傳輸請求）位；控制字段包含DLC（數(shù)據(jù)長度代碼），它決定了幀中發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)字段是幀的實際數(shù)據(jù)有效負(fù)載；CRC字段包括CRC序列和CRC定界符，用于確保數(shù)據(jù)完整性；ACK字段由ACK時隙和分隔符組成，用于確認(rèn)幀的正確接收。

錯誤處理與同步

在錯誤處理與同步方面，CAN CC使用活動錯誤標(biāo)志和被動錯誤標(biāo)志來處理錯誤。這些錯誤標(biāo)志會增加內(nèi)部錯誤計數(shù)器，可能導(dǎo)致有缺陷的節(jié)點進入錯誤被動狀態(tài)，最終進入總線關(guān)閉狀態(tài)。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，CAN CC還采用了位填充機制，在五個相同值的連續(xù)位之后，發(fā)送器會插入一個相反值的位。

02CAN技術(shù)迭代 | CAN FD的出現(xiàn)

CAN技術(shù)的進步帶來了CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate），這是對經(jīng)典CAN（CAN CC）的重要擴展。CAN FD支持的比特率可達8 Mbit/s，并且能夠處理高達64字節(jié)的有效負(fù)載，同時保持與CAN CC幀的完全向后兼容性。這種新格式通過FDF（靈活的數(shù)據(jù)格式）位來區(qū)分，這是在CAN CC中保留的位。

基本幀格式

CAN FD的基本幀格式在順序和數(shù)量上與CAN CC保持一致，但對某些字段的長度進行了調(diào)整以適應(yīng)新特性和增強。這些改進包括：

■ 比特率切換（BRS）位：允許在幀內(nèi)切換到更高的比特率，使CAN FD能夠在同一個幀內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)，避免網(wǎng)絡(luò)因大數(shù)據(jù)包而超載。

■ 錯誤狀態(tài)指示（ESI）位：指示發(fā)送方是處于主動錯誤節(jié)點還是被動錯誤節(jié)點，改善錯誤管理。

■ 擴展數(shù)據(jù)長度代碼（DLC）：DLC編碼的值擴展，以表示更長的數(shù)據(jù)有效負(fù)載，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

■ CRC多項式調(diào)整：確保不同有效負(fù)載大小下的數(shù)據(jù)完整性，包括17位CRC和21位CRC的應(yīng)用。

CAN FD幀結(jié)構(gòu)的其余部分與CAN CC相似，允許CAN FD設(shè)備連接到相同的物理網(wǎng)絡(luò)，并使用相同的收發(fā)器、連接器和電纜。值得注意的是，CAN FD不支持遠(yuǎn)程幀。

應(yīng)用與優(yōu)勢

CAN FD的應(yīng)用范圍廣泛，特別是在汽車行業(yè)，它已經(jīng)成為許多高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和車聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信的首選技術(shù)。CAN FD的優(yōu)勢在于其高速率和大數(shù)據(jù)量的傳輸能力，這使得它能夠滿足現(xiàn)代汽車對于復(fù)雜控制和診斷數(shù)據(jù)的需求。

此外，CAN FD還提供了與現(xiàn)有CAN CC網(wǎng)絡(luò)的兼容性，這使得在升級和擴展現(xiàn)有系統(tǒng)時更加靈活和方便。

綜上所述，CAN FD作為CAN技術(shù)的一個重要迭代，其高速率和大數(shù)據(jù)量的傳輸能力為現(xiàn)代汽車和其他需要高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景提供了有力的支持。

從CAN CC到CAN FD，CAN技術(shù)經(jīng)歷了從誕生到不斷迭代的歷程。每一次技術(shù)的革新，都推動了CAN技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。在本文下篇中，我們將繼續(xù)探討CAN技術(shù)的最新進展——CAN XL，以及它如何進一步拓展CAN技術(shù)的應(yīng)用范圍。敬請期待！

文章來源：本文內(nèi)容基于Robert Nawrath在《CAN Newsletter 2024》中發(fā)表的文章。由虹科智能互聯(lián)團隊精心翻譯并傳播，旨在與業(yè)界同仁共享這一前沿技術(shù)成果。

審核編輯 黃宇