CAN總線協(xié)議基礎(chǔ)概念知識(shí) - 全文

1．CAN協(xié)議

1.1 幀類型

通訊時(shí)使用下面5個(gè)類型的幀：

數(shù)據(jù)幀

遙控幀

錯(cuò)誤幀

過載幀

幀間空隙

在所有這些幀中，數(shù)據(jù)幀和遙控幀由用戶設(shè)置，而其它幀則由CAN硬件設(shè)置。

數(shù)據(jù)和遙控幀有兩種格式：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式。標(biāo)準(zhǔn)格式有11bit的ID，而擴(kuò)展格式則是29bit的ID。

每個(gè)幀的用處見表6，每個(gè)幀的結(jié)構(gòu)見圖10到圖14

表6 幀類型和每種類型幀的作用

1.2 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由發(fā)送單元使用，用來發(fā)送信息給接收單元，這是用戶操作的基本幀。

數(shù)據(jù)幀有7個(gè)域組成。圖15顯示了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。

（1）幀開始（SOF）：這個(gè)域表示數(shù)據(jù)幀的開始。

（2）仲裁域：這個(gè)域表示一個(gè)幀的優(yōu)先級(jí)

（3）控制域：這個(gè)域表示保留位和數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

（4）數(shù)據(jù)域：這是數(shù)據(jù)內(nèi)容，0-8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)能被發(fā)送

（5）CRC域：這個(gè)域用于檢查幀的傳輸錯(cuò)誤。

（6）ACK域：是對(duì)幀已經(jīng)被正常接收的一個(gè)證實(shí)。

（7）幀結(jié)束：指示數(shù)據(jù)幀結(jié)束

（1）幀開始（SOF），對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的或擴(kuò)展的格式都是一樣的。它指示一幀的開始，由1bit的顯性位組成。

顯性電平和隱性電平：

總線上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。

總線上執(zhí)行邏輯上的線“與”時(shí)，顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。

“顯性”具有“優(yōu)先”的意味，只要有一個(gè)單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平，并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平。（顯性電平比隱性電平更強(qiáng)）

（2）仲裁域，這個(gè)域表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)別。這個(gè)域的結(jié)構(gòu)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的格式是有差別的。

注1：關(guān)于ID：

標(biāo)準(zhǔn)格式的ID有11bit，從ID28到ID18被依次發(fā)送，禁止高7位全為隱性。（禁止設(shè)定：ID=1111111xxxx）。這樣總共有（2048-16）個(gè)ID能被使用。

擴(kuò)展格式的ID有29個(gè)bit?；綢D從ID28到ID18，擴(kuò)展ID由ID17到ID0表示，基本ID和標(biāo)準(zhǔn)格式ID相同，禁止高7bit全都為隱性，（禁止設(shè)定：基本ID=1111111xxxx）。這樣總共有（2048-16）個(gè)ID能被使用。

在任何情況下，總線上不可能有多個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻使用同一個(gè)ID傳輸數(shù)據(jù)幀。

（3）控制域，占6個(gè)bit，指示要傳輸信息的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，這個(gè)域的結(jié)構(gòu)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的格式是有差別的。如圖18所示

注1：保留位（r0，r1），保留位必須以顯性電平傳送，然而，在接收側(cè)可以接收顯性、隱性集任意組合的電平。

注2：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼（DLC），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼與數(shù)據(jù)的字節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表7所示。數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)必須是0-8個(gè)字節(jié)，但接收方對(duì)DLC=9-15的情況并不視為錯(cuò)誤。

（4）數(shù)據(jù)域，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的或擴(kuò)展的格式都是一樣的。這個(gè)域是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以是0到8個(gè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)載控制域中指明。數(shù)據(jù)輸出開始于MSB。如圖19所示：

（5）CRC域，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的或擴(kuò)展的格式都是一樣的。這個(gè)域用來檢查幀是否有傳輸錯(cuò)誤，它由15bit CRC碼和一個(gè)bitCRC定界符（delimiter）（separating bit分隔bit）

CRC的產(chǎn)生方法是采用下面的多項(xiàng)式：，CRC的計(jì)算范圍是SOF、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域。在接收側(cè)，會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀的這些域進(jìn)行CRC計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果與收到的CRC不一致，則表明存在傳輸錯(cuò)誤。

（6）ACK域，是對(duì)一幀已被正常接收的一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，由2個(gè)bit組成，一個(gè)是ACK的slot，一個(gè)是ACK的定界符（delimiter），如圖21所示：

注1：發(fā)送單元的ACK域，發(fā)送單元以隱性bit發(fā)送ACK slot和ACK 的delimiter。

注2：接收單元的ACK域，正確接收到信息的接收單元在接收幀的ACK slot里發(fā)送一個(gè)顯性bit，以通知發(fā)送單元其已經(jīng)正確接收完畢，這又稱“sending ACK”或“returning ACK”。

“Returning an ACK”：

所有接收單元只要不是處于bus-off或休眠狀態(tài)，只有正確接收信息的單元才能發(fā)送ACK。發(fā)送單元并不發(fā)送ACK。如果總線上除了發(fā)送單元，沒有其它單元能接收信息，則No ACK被返回。為了通訊的建立，除了發(fā)送單元外，至少需要有一個(gè)單元能夠接收信息。如果總線上有2個(gè)或更多個(gè)單元能接收到信息，如果它們中任意一個(gè)正常接收到信息，則會(huì)有ACK被返回。

（7）幀結(jié)束，指示一幀結(jié)束，由7個(gè)隱性位組成。如圖22

1.3 遙控幀

遙控幀是接收單元請(qǐng)求發(fā)送單元發(fā)送一個(gè)信息，遙控幀有6個(gè)域組成。如圖23顯示的那樣，除了沒有數(shù)據(jù)域外其它與數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)是一樣的。

（1） 幀開始（SOF）：這個(gè)域表示數(shù)據(jù)幀的開始。

（2） 競(jìng)爭(zhēng)域：這個(gè)域表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，具有同樣ID的數(shù)據(jù)幀被請(qǐng)求。

（3） 控制域：這個(gè)域表示保留位和數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

（4） CRC域：這個(gè)域用于檢查幀的傳輸錯(cuò)誤。

（5） ACK域：是對(duì)幀已經(jīng)被正常接收的一個(gè)證實(shí)。

（6） 幀結(jié)束：指示遙控幀的結(jié)束

遙控幀和數(shù)據(jù)幀：

數(shù)據(jù)幀和遙控幀之間的不同

遙控幀沒有數(shù)據(jù)域，在仲裁域里的RTR位是隱性電平，而數(shù)據(jù)幀RTR則為顯性的。

沒有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀與遙控幀可以通過RTR為來區(qū)分

遙控幀沒有數(shù)據(jù)域，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼用來干什么？

遙控幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼的值表示對(duì)應(yīng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼。

沒有數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)幀用來干什么？

例如，數(shù)據(jù)幀可以被各單元用來作為周期連接確認(rèn)/應(yīng)答，或者仲裁域本身帶有實(shí)質(zhì)性信息。

1.4 錯(cuò)誤幀

這個(gè)幀用來通知在傳輸期間發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤幀由一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志和一個(gè)錯(cuò)誤定界符組成，錯(cuò)誤幀由CAN的硬件來發(fā)送。圖24顯示了錯(cuò)誤幀的結(jié)構(gòu)。

（1） 錯(cuò)誤標(biāo)志：有2種錯(cuò)誤標(biāo)志類型：主動(dòng)錯(cuò)誤和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志

a）主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：6個(gè)顯性位

b） 被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：6個(gè)隱性位

（2） 錯(cuò)誤定界符：由8個(gè)隱性位組成。

注1：錯(cuò)誤標(biāo)志重疊：取決于連接到總線上的各單元檢測(cè)出錯(cuò)誤的時(shí)間，錯(cuò)誤標(biāo)志可能一個(gè)重疊在另一個(gè)上，總共可達(dá)12bit長(zhǎng)度。

注2：主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志。

注3：被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志。

1.5 過載幀

這個(gè)幀被接收單元用來通知還沒有準(zhǔn)備好接收幀。它由一個(gè)過載標(biāo)志和一個(gè)過載定界符組成。圖25顯示了錯(cuò)誤幀的結(jié)構(gòu)。

（1） 過載標(biāo)志：由6個(gè)顯性位組成，過載標(biāo)志與錯(cuò)誤幀的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志具有相同的結(jié)構(gòu)。

（2） 過載定界符：由8個(gè)隱性位組成，過載定界符與錯(cuò)誤幀的錯(cuò)誤定界符具有相同的結(jié)構(gòu)。

注1：錯(cuò)誤標(biāo)志重疊：向錯(cuò)誤標(biāo)志一樣，取決于時(shí)間，過載標(biāo)志可能一個(gè)重疊在另一個(gè)上，總共可達(dá)12bit長(zhǎng)度。

1.6 幀間間隔

這個(gè)幀用來隔開數(shù)據(jù)幀和遙控幀。數(shù)據(jù)和遙控幀可通過插入幀間間隔與前面?zhèn)鬏數(shù)娜魏螏〝?shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）分開。

過載幀和錯(cuò)誤幀前不能插入幀間間隔。如圖26所示。

（1）間隔：由3個(gè)隱性位組成。在間隔期間如果檢測(cè)到顯性電平，則必須發(fā)送過載幀，然而，如果間隔的第3bit是顯性電平，間隔被認(rèn)為是SOF

（2）總線空閑：是隱性電平，長(zhǎng)度沒有限制（它可以是0bit長(zhǎng)）。當(dāng)總線處于這種狀態(tài)的時(shí)候，總線被認(rèn)為是自由空閑的，任何單元都可以啟動(dòng)發(fā)送信息。

（3）暫停傳輸（傳輸暫停期）：有8個(gè)隱性位組成。只在處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元?jiǎng)偘l(fā)送一個(gè)消息后的幀間隔中包含的段。

1.7 優(yōu)先級(jí)的決定

在總線空閑狀態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。

多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，各發(fā)送單元從仲裁域的第一位開始進(jìn)行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平最多的單元可繼續(xù)發(fā)送。丟失競(jìng)爭(zhēng)的單元在下一bit進(jìn)入接收操作。

仲裁的過程如圖27所示。

（1）數(shù)據(jù)幀和遙控幀的優(yōu)先級(jí)

具有相同 ID 的數(shù)據(jù)幀和遙控幀在總線上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，仲裁段的最后一位（RTR）為顯性位的數(shù)據(jù)幀具有優(yōu)先權(quán)，可繼續(xù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)幀和遙控幀的仲裁過程如圖28所示。

（2）標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的優(yōu)先級(jí)

標(biāo)準(zhǔn)格式 ID 與具有相同ID 的遙控幀或者擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀在總線上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR 位為顯性位的具有優(yōu)先權(quán)，可繼續(xù)發(fā)送。

標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁過程如圖29所示。

1.8 位填充

位填充是一種周期性重同步收/發(fā)操作的功能，為了防止接收節(jié)點(diǎn)間時(shí)序由于累積而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，如果5個(gè)bit持續(xù)了同樣的電平，則添加1個(gè)bit的反向數(shù)據(jù)位。

如圖30顯示的位填充機(jī)制：

（1）發(fā)送單元的操作

在發(fā)送數(shù)據(jù)幀和遙控幀的時(shí)候，SOF-CRC段間的數(shù)據(jù)，相同電平如果持續(xù)5bit，在下一bit（第6bit）則要插入1bit與前5bit反向的電平。

（2）接收單元的操作

在接收數(shù)據(jù)幀和遙控幀的時(shí)候，SOF-CRC段間的數(shù)據(jù)，相同電平如果持續(xù)5bit，需要?jiǎng)h除下一bit（第6bit）再接收。如果這第6bit的電平與前5bit相同，則被視為錯(cuò)誤，且發(fā)送錯(cuò)誤幀。

1.9 錯(cuò)誤的種類

有5種類型的錯(cuò)誤，可能有2個(gè)或更多的錯(cuò)誤同時(shí)發(fā)生：

位錯(cuò)誤

填充錯(cuò)誤

CRC錯(cuò)誤

格式錯(cuò)誤

ACK錯(cuò)誤

表8列出了這些錯(cuò)誤的種類、內(nèi)容、錯(cuò)誤檢測(cè)幀和檢測(cè)單元。

位錯(cuò)誤由向總線上輸出數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀的單元和輸出ACK的單元、輸出錯(cuò)誤的單元來檢測(cè)。

在仲裁段輸出隱性電平，但檢測(cè)出顯性電平時(shí)，將被視為仲裁失利，而不是位錯(cuò)誤。

在仲裁段作為填充位輸出隱性電平時(shí)，但檢測(cè)出顯性電平時(shí)，將不視為位錯(cuò)誤，而是填充錯(cuò)誤。

發(fā)送單元在ACK 段輸出隱性電平，但檢測(cè)到顯性電平時(shí)，將被判斷為其它單元的ACK 應(yīng)答，而非位錯(cuò)誤。

輸出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（6 個(gè)位隱性位）但檢測(cè)出顯性電平時(shí)，將遵從錯(cuò)誤標(biāo)志的結(jié)束條件，等待檢測(cè)出連續(xù)相同6 個(gè)位的值（顯性或隱性），并不視為位錯(cuò)誤。

（2） 格式錯(cuò)誤

即使接收單元檢測(cè)出EOF（7 個(gè)位的隱性位）的最后一位（第8 個(gè)位）為顯性電平，也不視為格式錯(cuò)誤。

即使接收單元檢測(cè)出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼（DLC）中9～15 的值時(shí)，也不視為格式錯(cuò)誤。

1.10 錯(cuò)誤幀的輸出時(shí)序

檢測(cè)到發(fā)生錯(cuò)誤的單元輸出一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志，以通知其它單元。

處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志為主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志；處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志為被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。

發(fā)送單元發(fā)送完錯(cuò)誤幀之后，將再次發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遙控幀。

錯(cuò)誤標(biāo)志輸出時(shí)序如表9：

1.11 位時(shí)序

在沒有重新同步情況下，發(fā)送單元每秒傳輸?shù)奈粩?shù)稱之為位速率。1位由下面4個(gè)段組成。

同步段（SS）

傳播時(shí)間段（PTS）

相位緩沖段1（PBS1）

相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由稱之為Time Quantum（以下稱為Tq）的最小時(shí)間單位構(gòu)成。

1位分為4個(gè)段，每個(gè)段由若干個(gè)Tq構(gòu)成，這稱為位時(shí)序。

1位由多少個(gè)Tq構(gòu)成、每個(gè)段由多少個(gè)Tq構(gòu)成等是可以設(shè)定的。通過設(shè)置bit時(shí)序。使得可以設(shè)定一個(gè)采樣點(diǎn)以使總線上多個(gè)單元可同時(shí)采樣，所謂采樣點(diǎn)就是在這一時(shí)刻總線上的電平被鎖存，這個(gè)鎖存的電平作為位的值。采樣點(diǎn)的位置在PBS1的結(jié)束處。

表10描述了各段的作用和Tq 數(shù)。1個(gè)位的構(gòu)成如圖31所示。

段名稱

段的作用

Tq數(shù)

同步段（SS）

多個(gè)連接在總線上的單元通過此段實(shí)現(xiàn)時(shí)序的定時(shí)調(diào)整，以便同步進(jìn)行接收和發(fā)送的工作。

隱性電平到顯性電平或顯性電平到隱性電平變化的邊沿被期望出現(xiàn)在本段。

1

8-25

傳播時(shí)間段（PTS）

用于吸收網(wǎng)絡(luò)上的物理延遲的段。包括發(fā)送單元的輸出延遲、總線上信號(hào)的傳播延遲、接收單元的輸入延遲。

這個(gè)段的時(shí)間是以上延遲時(shí)間累加和的兩倍。

1-8

相位緩沖段1（PBS1）

當(dāng)信號(hào)邊沿不能出現(xiàn)在SS 段時(shí)，此段用來矯正誤差。

由于各單元以各自獨(dú)立的時(shí)鐘來工作，細(xì)微的時(shí)鐘誤差都會(huì)累積起來，PBS 段可用于吸收此誤差。

為了吸收一個(gè)時(shí)鐘誤差，在SJW設(shè)置的范圍內(nèi)增減PBS1和PBS2，PBS1和PBS2越大，允許誤差越大，但是通訊速度會(huì)降低。

1-8

相位緩沖段2（PBS2）

PBS1或IPT中較大者（見注1和2）

重新同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）

因時(shí)鐘頻率偏差、傳送延遲等原因，某些單元可能會(huì)失去同步。SJW是所能校正的最大失去同步的寬度。

1-4*PBS1

注1：IPT代表信息處理時(shí)間，是以采樣點(diǎn)作為起始的時(shí)間段，用于計(jì)算后續(xù)位的位電平。這是硬件在一個(gè)采樣點(diǎn)后立刻改變位的電平所必須要的。這個(gè)時(shí)間等于或小于2Tq，。

注2：因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)是處于PBS1結(jié)束處，所以IPT和PBS2重疊。當(dāng)IPT = 2Tq時(shí)，PBS2不可能選為1，因此，PBS2必須是2到8Tq。

注3：重新同步的結(jié)果使相位緩沖段1增長(zhǎng)，或使相位緩沖段2 縮短。相位緩沖段加長(zhǎng)或縮短的數(shù)量有一個(gè)上限，此上限由SJW（重新同步跳轉(zhuǎn)寬度）給定。重新同步跳轉(zhuǎn)寬度應(yīng)設(shè)置于1和最小值之間（此最小值為4*PBS1）。

可以從一位值轉(zhuǎn)換到另一位值的過渡過程得到時(shí)鐘信息。這里有一個(gè)屬性，即：只有后續(xù)位的一固定最大數(shù)值才具有相同的數(shù)值。這個(gè)屬性使總線單元在幀期間重新同步于位流成為可能?？捎糜谥匦峦降膬蓚€(gè)過渡過程之間的最大的長(zhǎng)度為29個(gè)位時(shí)間。

1.12 同步是如何獲得的？

CAN總線的通訊是采用NRZ（Non-Return to Zero，非歸0）碼，數(shù)據(jù)本身并不攜帶時(shí)鐘信息，也即在每一位的開始或結(jié)束沒有同步信號(hào)，發(fā)送單元以位時(shí)序同步的方式開始發(fā)送幀數(shù)據(jù)，接收單元根據(jù)總線電平的變化進(jìn)行同步并進(jìn)行接收工作。

然而，發(fā)送器和接收器之間由于彼此的時(shí)鐘誤差或傳輸路徑的相位誤差可能會(huì)失去同步關(guān)系，因此接收單元在接收幀的時(shí)候，必須通過硬件同步或重新同步調(diào)整它的操作時(shí)序。

1.13 硬件同步

在總線空閑狀態(tài)時(shí)，接收單元檢測(cè)到SOF，就會(huì)執(zhí)行這個(gè)同步調(diào)整過程?！半[式”電平跳變到“顯式”電平的邊緣的時(shí)間點(diǎn)被認(rèn)為是SS，而不管SJW的值

圖32顯示了硬件同步機(jī)制。

如果沿出現(xiàn)在SS里，沿的相位誤差e=0；

如果沿位于采集點(diǎn)（PBS1結(jié)束之前）之前，e》0；

如果沿位于采集點(diǎn)之后，e《0；

1.14 重新同步機(jī)制

在接收過程中檢測(cè)到總線電平發(fā)生了改變時(shí)執(zhí)行重新同步操作。

每當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)邊沿（總線電平的改變），收發(fā)單元根據(jù)SJW值通過增加PBS1段或減少PBS2段，來調(diào)整同步。但，如果發(fā)生了超出SJW值的誤差時(shí)，最大調(diào)整量不能超過SJW值。

圖33顯示了重新同步機(jī)制。

1.15 調(diào)整同步的規(guī)則

硬件同步和再同步的執(zhí)行遵從如下規(guī)則：

1） 在1個(gè)位時(shí)間里（或者說在2個(gè)采樣點(diǎn)之間），只允許一個(gè)同步（或者說只進(jìn)行一次同步調(diào)整）。

2） 只有當(dāng)采樣點(diǎn)之前的總線電平和邊沿后的總線電平不同時(shí)，該邊沿才能用于調(diào)整同步。

3） 如果出現(xiàn)隱性電平到顯性電平變化的邊沿，且條件（1）和（2）滿足，將進(jìn)行同步。

4） 如果在幀間間隙期間發(fā)生隱性電平到顯性電平的信號(hào)邊沿（除了間隙里的第一位），則總會(huì)執(zhí)行硬件同步。

5） 如果發(fā)生從所有其它隱性電平到顯性電平的信號(hào)邊沿，則執(zhí)行再同步。

6） 如果發(fā)送單元自身輸出的顯性電平被檢測(cè)到有延遲，則不執(zhí)行再同步。