SylixOS CAN總線報(bào)文淺析

1. CAN的報(bào)文格式

   在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符（ID）長(zhǎng)度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。

   在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)組成的仲裁場(chǎng)。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒(méi)有數(shù)據(jù)字節(jié)。

   控制場(chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro)，為將來(lái)擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)位用來(lái)指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（DLC）。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

   應(yīng)答場(chǎng)（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。

   報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

   如圖11所示，具體某一位或某幾位下面會(huì)詳細(xì)介紹。

   

   圖11 CAN總線報(bào)文結(jié)構(gòu)

2. 數(shù)據(jù)幀

   數(shù)據(jù)幀是使用最多的幀，結(jié)構(gòu)上由7段組成，其中根據(jù)仲裁段ID碼長(zhǎng)度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀（CAN2.0A）和擴(kuò)展幀（CAN2.0B）。

   數(shù)據(jù)幀是由：幀起始，仲裁斷，控制端，數(shù)據(jù)段，CRC段，ACK段和幀結(jié)束構(gòu)成。

   如圖21所示（具體的幀結(jié)構(gòu)下面會(huì)詳細(xì)介紹）。

   

   圖2–1數(shù)據(jù)幀類型及結(jié)構(gòu)

3. 幀起始和幀結(jié)束

   幀起始：由單個(gè)顯性位組成，總線空閑時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他接收節(jié)點(diǎn)同步于該幀起始位。

   幀結(jié)束：由7個(gè)連續(xù)的隱形位組成。

   （注：顯性電平和隱性電平是相對(duì)于CAN_H和CAN_L而言的差分信號(hào)電平，并非TTL電平上的高低電平，需要注意）如圖2-2所示。

    

   

   圖2–2幀起始和幀結(jié)束

4. 仲裁段

   CAN-bus是如何解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，即總線競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題？該問(wèn)題由仲裁段給出答案。

   CAN-bus并沒(méi)有規(guī)定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，但通過(guò)仲裁段幀ID規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)版本不同，幀ID分為11位和29位兩種。如圖23所示

    

   

   圖2–3數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

   如圖24所示CAN控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線的電平是否與發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)電平相同，如果不同，則停止發(fā)送并做其他處理。

   

   圖2–4仲裁處理

   假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B和C都發(fā)送相同格式相同類型的幀，如標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀，它們競(jìng)爭(zhēng)總線的過(guò)程是（如圖16所示）：

   

   圖2–5仲裁機(jī)制

   從該分析過(guò)程得出結(jié)論是：幀ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高；

   對(duì)于同為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀、標(biāo)準(zhǔn)格式遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展格式遠(yuǎn)程幀的情況同理

5. 控制段

   控制段共6位，標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由擴(kuò)展幀標(biāo)志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼DLC組成；擴(kuò)展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成如圖17所示。

   

   圖2–6數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

6. 數(shù)據(jù)段

   一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為0~8個(gè)字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CAN-bus實(shí)時(shí)性很高，非常適合汽車和工控應(yīng)用場(chǎng)合如圖27所示。

   

   圖2–7數(shù)據(jù)段

   數(shù)據(jù)量小，發(fā)送和接收時(shí)間短，實(shí)時(shí)性高，被干擾的概率小，抗干擾能力強(qiáng)。

7. CRC段

   CAN-bus使用CRC校驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯(cuò)，CRC校驗(yàn)值存放于CRC段。 CRC校驗(yàn)段由15位CRC值和1位CRC界定符構(gòu)成如圖28所示。

   

   圖2–8CRC段

8. ACK段

   當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒(méi)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平如圖29所示。

   

   圖2–9 ACK段

9. 遠(yuǎn)程幀

   與數(shù)據(jù)幀相比，遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)上無(wú)數(shù)據(jù)段，由6個(gè)段組成，同理分為標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，且RTR位為1（隱性電平）如圖31所示。

   

   圖3–1遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)

   如下圖所示由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀的RTR位為隱性電平。

   所以幀格式和幀ID都相同情況下，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)比遠(yuǎn)程幀優(yōu)先級(jí)高如圖32所示：

   

   圖3–2數(shù)據(jù)幀于遠(yuǎn)程幀仲裁機(jī)制

    

   

   圖3–3數(shù)據(jù)幀遠(yuǎn)程幀比較

   數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀的區(qū)別如圖33所示。

    

10. 錯(cuò)誤幀

    盡管CAN-bus是可靠性很高的總線，但依然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤；CAN-bus的錯(cuò)誤類型共有5種（如圖41所示）。

    

    圖4–1錯(cuò)誤幀類型

    當(dāng)出現(xiàn)5種錯(cuò)誤類型之一時(shí)，發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀的結(jié)構(gòu)如下，其中錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)分為主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)如圖42所示。

    

    圖4–2錯(cuò)誤幀電平結(jié)構(gòu)

    為防止自身由于某些原因?qū)е聼o(wú)法正常接收的節(jié)點(diǎn)一直發(fā)送錯(cuò)誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN-bus規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及其行為如圖43所示。

    

    圖4–3錯(cuò)誤處理機(jī)制

    （注：這些錯(cuò)誤處理的機(jī)制是由硬件自主完成的這樣做的目的就是只要CAN在收到數(shù)據(jù)肯定是正確的數(shù)據(jù)）。

     

11. 過(guò)載幀與幀間隔

12. 過(guò)載幀

    當(dāng)某個(gè)接收節(jié)點(diǎn)沒(méi)有做好接收下一幀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)，將發(fā)送過(guò)載幀以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)；過(guò)載幀由過(guò)載標(biāo)志和過(guò)載幀界定符組成如所示圖51。

    

    圖5–1過(guò)載幀結(jié)構(gòu)

    由于存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)過(guò)載且過(guò)載幀發(fā)送有時(shí)間差問(wèn)題，可能出現(xiàn)過(guò)載標(biāo)志疊加后超過(guò)6個(gè)位的現(xiàn)象如所示圖52。

    

    圖5–2過(guò)載幀具體結(jié)構(gòu)

13. 幀間隔

    幀間隔用于將數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀和他們之前的幀分離開，但過(guò)載幀和錯(cuò)誤幀前面不會(huì)插入幀間隔。

    

    幀間隔過(guò)后，如果無(wú)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀，則總線進(jìn)入空閑。

    

    幀間隔過(guò)后，如果被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)要發(fā)送幀，則先發(fā)送8個(gè)隱性電平的傳輸延遲，再發(fā)送幀。

    

14. CAN總線發(fā)送總流程

    CAN-bus整個(gè)鏈路層處理數(shù)據(jù)的流程是如圖61所示：

    

    圖6–1CAN總線發(fā)送總流程

     

15. 參考資料

    《項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)--CAN-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)教程----周立功，黃曉清》。

    《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用第二版–清華大學(xué)出版社》。