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RA MCU CAN和CANFD IP介紹

1. 概述

CAN（Controller Area Network）和CANFD（Controller Area Network Flexible Data-rate）是一種常用于汽車和工業領域的通信協議。

CAN協議最初是由德國的博世公司（Bosch）在20世紀80年代開發的，旨在解決汽車電子設備之間的通信需求。它是一種高效可靠的串行通信協議，可支持在短距離上的高速數據傳輸。CAN協議以事件觸發的方式進行通信，允許多個設備同時參與通信，并通過優先級機制確保數據傳輸的實時性和可靠性。Classic CAN，傳統CAN，有時也稱為經典CAN或普通CAN。

CAN協議的特點包括

雙線制：CAN總線由CAN_H和CAN_L兩根傳輸線組成，用差分信號傳輸數據，以提高抗干擾性能。

沖突檢測與沖突解決：多個設備同時發送數據時，CAN協議能夠檢測到沖突并通過優先級機制解決。

幀格式簡單：CAN消息由ID、數據、控制位和CRC校驗組成，具有較小的開銷和較高的數據傳輸效率。

容錯能力強：CAN協議使用位級錯誤檢測和錯誤恢復機制，能夠實現高可靠性的數據傳輸。

隨著汽車電子系統的發展和數據通信需求的增加，CANFD協議應運而生。CANFD在保持CAN協議基本特性的同時，增加了一些新的特性，主要是在數據傳輸速率和數據長度上的增強。相對于傳統的CAN協議，CANFD支持更高的數據傳輸速率（最高可達到8Mbps）和更大的數據長度（最多可傳輸64字節的數據）。這使得CANFD能夠滿足對數據帶寬要求更高的應用場景，如高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛領域。

CAN FD協議是由Bosch以及行業專家預研開發的，并于2012年發布。通過標準化對其進行了改進，現已納入ISO 11898-1:2015。原始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。CAN FD具有四個主要優點：

增加了數據的長度：CAN FD每個數據幀最多支持64個數據字節，而傳統CAN最多支持8個數據字節。這減少了協議開銷，并提高了協議效率。

增加傳輸的速度：CAN FD支持雙比特率；與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率(實際應用中可以達到8 Mbit/s，但沒有標準)。

更好的可靠性：CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。這在汽車和工業自動化等安全攸關的應用中至關重要。

平滑過渡：在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節點，從而為OEM簡化程序和降低成本。

與傳統CAN相比，CAN FD可以將網絡帶寬提高3到8倍，效率可從50%提升到90%，從而為數據的增長提供了一種簡單的解決方案。

2. CAN協議

2.1 物理層

與I2C、SPI等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有CAN_High和CAN_Low兩條信號線， 共同構成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。

CAN物理層的形式主要有兩種：閉環總線網絡和開環總線網絡。

2.1.1 閉環總線網絡

如下所示的圖中的CAN通訊網絡是一種遵循ISO11898標準的高速、 短距離“閉環網絡”，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120歐”的電阻。

2.1.2 開環總線網絡

如下所示的圖中的是遵循ISO11519-2標準的低速、遠距離“開環網絡”，它的最大傳輸距離為1km， 最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環，要求每根總線上各串聯有一個“2.2千歐”的電阻。

2.1.3 ISO11898（閉環總線網絡）和11519-2 （開環總線網絡）協議的不同點

ISO11898 和 ISO11519-2 標準對于數據鏈路層的定義相同，但物理層不同。

ISO11898是通信速度為125kbps-1Mbps的CAN高速通信標準。

ISO11519是通信速度為125kbps以下的CAN低速通信標準。

下圖描述了ISO11898和11519-2物理層的主要不同點。

用戶需根據系統需要設定通信速度及總線長度。

2.1.4 CAN協議中的差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等， 相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯0和邏輯1。

CAN協議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規定， CAN協議標準表示的信號邏輯參見下表。

以高速CAN協議為例，當表示邏輯1時(隱性電平)，CAN_High和CAN_Low線上的電壓均為2.5v， 即它們的電壓差VH-VL=0V；而表示邏輯0時(顯性電平)， CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為1.5V， 即它們的電壓差為VH-VL=2V。例如，當CAN收發器從CAN_Tx線接收到來自CAN控制器的低電平信號時(邏輯0)， 它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0。

在CAN總線中，必須使它處于隱性電平（邏輯1）或顯性電平（邏輯0）中的其中一個狀態。假如有兩個CAN通訊節點，在同一時間，一個輸出隱性電平， 另一個輸出顯性電平，類似I2C總線的“線與”特性將使它處于顯性電平狀態，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優先的意味。

由于CAN總線協議的物理層只有1對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節點來說，CAN通訊是半雙工的，收發數據需要分時進行。在CAN的通訊網絡中，因為共用總線，在整個網絡中同一時刻只能有一個通訊節點發送信號，其余的節點在該時刻都只能接收。