CAN的報文格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

控制場包括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro)，為將來擴展使用。它的最后四個位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(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)絡中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

如圖1-1所示，具體某一位或某幾位下面會詳細介紹。

圖1-1 CAN總線報文結(jié)構(gòu)

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碼長度的不同，分為標準幀（CAN2.0A）和擴展幀（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2-1所示（具體的幀結(jié)構(gòu)下面會詳細介紹）。

圖2–1數(shù)據(jù)幀類型及結(jié)構(gòu)

幀起始和幀結(jié)束

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

幀結(jié)束：由7個連續(xù)的隱形位組成。

（注：顯性電平和隱性電平是相對于CAN_H和CAN_L而言的差分信號電平，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

仲裁段

CAN-bus是如何解決多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，即總線競爭的問題？該問題由仲裁段給出答案。

CAN-bus并沒有規(guī)定節(jié)點的優(yōu)先級，但通過仲裁段幀ID規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級。根據(jù)CAN2.0標準版本不同，幀ID分為11位和29位兩種。如圖2-3所示

圖2–3數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

如圖2-4所示CAN控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(jiān)測數(shù)據(jù)線的電平是否與發(fā)送數(shù)據(jù)對應電平相同，如果不同，則停止發(fā)送并做其他處理。

圖2–4仲裁處理

假設節(jié)點A、B和C都發(fā)送相同格式相同類型的幀，如標準格式數(shù)據(jù)幀，它們競爭總線的過程是（如圖2-5所示）：

圖2–5仲裁機制

從該分析過程得出結(jié)論是：幀ID值越小，優(yōu)先級越高；

對于同為擴展格式數(shù)據(jù)幀、標準格式遠程幀和擴展格式遠程幀的情況同理

控制段

控制段共6位，標準幀的控制段由擴展幀標志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成如圖2-6所示。

圖2–6數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)段

一個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為0~8個字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CAN-bus實時性很高，非常適合汽車和工控應用場合如圖2-7所示。

圖2–7數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)量小，發(fā)送和接收時間短，實時性高，被干擾的概率小，抗干擾能力強。

CRC段

CAN-bus使用CRC校驗進行數(shù)據(jù)檢錯，CRC校驗值存放于CRC段。CRC校驗段由15位CRC值和1位CRC界定符構(gòu)成如圖2-8所示。

圖2–8CRC段

ACK段

當一個接收節(jié)點接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯誤時，它將在ACK段發(fā)送一個顯性電平如圖2-9所示。

圖2–9 ACK段

遠程幀

與數(shù)據(jù)幀相比，遠程幀結(jié)構(gòu)上無數(shù)據(jù)段，由6個段組成，同理分為標準格式和擴展格式，且RTR位為1（隱性電平）如圖3-1所示。

圖3–1遠程幀結(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)先級比遠程幀優(yōu)先級高如圖3-2所示：

圖3–2數(shù)據(jù)幀于遠程幀仲裁機制

圖3–3數(shù)據(jù)幀遠程幀比較

數(shù)據(jù)幀與遠程幀的區(qū)別如圖3-3所示。

錯誤幀

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

圖4–1錯誤幀類型

當出現(xiàn)5種錯誤類型之一時，發(fā)送或接收節(jié)點將發(fā)送錯誤幀。錯誤幀的結(jié)構(gòu)如下，其中錯誤標識分為主動錯誤標識和被動錯誤標識如圖4-2所示。

圖4–2錯誤幀電平結(jié)構(gòu)

為防止自身由于某些原因?qū)е聼o法正常接收的節(jié)點一直發(fā)送錯誤幀，干擾其他節(jié)點通信，CAN-bus規(guī)定了節(jié)點的3種狀態(tài)及其行為如圖4-3所示。

圖4–3錯誤處理機制

（注：這些錯誤處理的機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)）。

過載幀與幀間隔

過載幀

當某個接收節(jié)點沒有做好接收下一幀數(shù)據(jù)的準備時，將發(fā)送過載幀以通知發(fā)送節(jié)點；過載幀由過載標志和過載幀界定符組成如所示圖5-1。

圖5–1過載幀結(jié)構(gòu)

由于存在多個節(jié)點同時過載且過載幀發(fā)送有時間差問題，可能出現(xiàn)過載標志疊加后超過6個位的現(xiàn)象如所示圖5-2。

圖5–2過載幀具體結(jié)構(gòu)

幀間隔

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

幀間隔過后，如果無節(jié)點發(fā)送幀，則總線進入空閑。

幀間隔過后，如果被動錯誤節(jié)點要發(fā)送幀，則先發(fā)送8個隱性電平的傳輸延遲，再發(fā)送幀。

CAN總線發(fā)送總流程

CAN-bus整個鏈路層處理數(shù)據(jù)的流程是如圖6-1所示：

圖6–1 CAN總線發(fā)送總流程

審核編輯：黃飛

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