CAN(FD)总线协议转换原理及其在汽车行业的应用

2023年9月14日，CiA中国技术日直播活动在线上举行，该活动致力于开展与CAN总线相关领域的技术工作，演讲者都是CAN领域的专家。虹科首席工程师陈皓受邀参与活动，并带来以“CAN和CAN FD总线协议转换”为主题的演讲。

本次演讲内容主要分为三个部分：首先介绍了CAN和CAN FD总线的区别，并以此为切入点讲解了两种总线协议转化的基本原理与做法，在此基础上对总线协议转换在汽车行业的具体应用进行了延申介绍与未来展望。本文将带您回顾本次演讲，并对精彩内容“划重点”。

CAN和CAN FD总线的对比 

CAN总线和CAN FD总线主要在四个方面存在差异：

1. 波特率不同：CAN总线最高支持1Mbit/s波特率，CAN FD总线最高支持5Mbit/s波特率。在实际应用中，我们通常会选取500k的CAN总线波特率和500K 2Mbit/s的CAN FD总线波特率作为标准的车载通讯波特率。

2. 数据长度不同：一帧CAN总线报文最多支持8个字节的数据，而一帧CAN FD总线报文可最多支持64个字节的数据

3. 报文帧格式不同：CAN FD总线的报文新增了RS、FDF、BRS、ESI这几个特定的信号位，以此扩充成一套全新的数据帧的格式

4. 远程帧使用不同：CAN FD总线协议取消了远程帧

对比CAN和CAN FD报文，CAN FD报文具有更高的通讯速率和更多的字节的数据。因此，CAN FD总线协议的通讯带宽得以提高，可以达到CAN总线的6倍甚至更高。

与此同时，CAN和CAN FD报文也在具体帧结构上存在区别：

1. 仲裁域对比：CAN FD的报文取消了RTR的设定，以RRS作为取代

2. 控制域对比：CAN报文结构中主要有 IDE 和DLC，还有一个保留位，以此来规定这个帧的类型和数据域的内容。CAN FD报文结构则明显增多，除IDE 和DLC外，还有FDF、BRS、ESI三个位。FDF用于标识帧类型是CAN还是CAN FD报文，BRS用于CAN FD的数据端，决定了是否采用更高的波特率进行数据传输，ESI用于确定当前传输节点的错误状态是主动错误还是不动错误。在总线协议转换过程中，FDF和BRS用于修改报文帧格式，这也是CAN FD报文能够兼容CAN报文通信的原因之一。

3. 数据域对比：CAN报文最高支持8个字节的数据长度，而CAN FD报文最高支持64个字节的数据长度。

4. CRC域对比：CAN报文的CRC占15位，而CAN FD报文最高占21位，可见CAN FD报文的CRC采用了更复杂、更安全的算法。

总结而言，CAN FD报文将仲裁域的RTR设定改为RRS，并新增控制域FDF、BRS、ESI相关内容。这四个区别便是实现CAN和CAN FD总线协议转化的关键发力点。

总线协议转换的基本原理

当将CAN FD节点加入到CAN网络中时，CAN FD需要向后兼容CAN组，此时，CAN FD节点节点需要通过CAN消息与其他CAN节点进行通讯，而CAN网络无法识别CAN FD通讯消息，就会造成通讯错误。

同样的，CAN节点加入到CAN FD网络中时，CAN节点也无法与其他CAN FD节点正常通讯，便会出现总线错误。这个时候就需要加入一个能同时适配CAN和CAN FD两种总线协议的网关以进行报文转换，确保总线的正常通讯。这种网关往往带有多个CAN接口，且可编程。

首先，我们需要对网关的波特率进行定义，包括仲裁端的波特率和数据端的两个波特率。

其次，需要对具体的帧结构进行一个修改，以此来建立一个完整的数据帧的结构体，重点在于修改报文的帧类型、DLC以及具体的数据端的内容。

在图上的转换示意图中，我们可以看到四个节点和两条网络总线同时存在的情况，其中两个节点被集成在一个网关设备中，可进行编程和处理。

假如CAN节点主动请求和CAN FD节点进行通讯，首先，CAN节点向网关的CAN 1端发出CAN报文，CAN 1端收到CAN报文后，迅速的进行复制和处理，将CAN报文中的关键信息提取出来，构造出一帧完整的、具有相同ID和数据的CAN FD报文。再通过网关的CAN 2端发送给另一个CAN FD节点，以此来完成不同协议报文之间的转发。

同样，如果CAN FD主动请求和CAN节点进行通讯，也可以使用网关，以“复制、重定义和路由转发”的逻辑完成总线转换。

总线协议转换在汽车行业的应用与展望     

虹科已经有成熟的CAN和CAN FD总线协议转换的方案，利用PCAN-Router FD和PCAN-Router Pro FD两款网关设备即可高效完成总线协议转换。

经典应用场景：主机厂优化测试台架 

在ECU测试中，专业的工程师们会根据不同的汽车零部件搭建不同的测试台架，以往普遍流行的是搭建支持CAN网络通讯的测试台架。但随着汽车智能化发展，ECU测试往CAN FD、CAN XL总线发展，以CAN网络接口为主开发的测试系统和平台，无法测试以CAN FD总线协议进行通讯的新车型，便需要重新改造台架。

台架改造实质上是为了将台架中的CAN采集设备注入新的CAN FD协议。虹科提供的网关就可以高效、便捷地在测试台架和ECU之间建立起一个全新的CAN-CAN FD通讯，ECU端自发的CAN FD信号可以通过网关实时高效的传输，并以CAN信号的方式输出给测试台架这端，便可实现不同协议之间的台架测试，有效帮助客户降低协议转换的时间、人力成本和工程复杂度。

而在未来，可能会出现CAN和CAN FD总线转CAN XL总线的应用情况，自然也会出现相应的能兼容CAN、CAN FD、CAN XL总线协议并进行转换的网关产品，让我们拭目以待。