詳細(xì)解讀CAN總線原理和數(shù)據(jù)幀問題

先看看工作原理

當(dāng) CAN 總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文的形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其接收。

每組報(bào)文開頭的11 位字符為標(biāo)識符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級，這種報(bào)文格式成為面向內(nèi)容的編制方案。同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報(bào)文，當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競爭總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。

大體的工作原理我們搞清了，但是根本的協(xié)議我們還要花一番功夫。下面介紹一個(gè)重要的名詞，“顯性”和“隱性”：

在我看到的很多文章里，有很多顯性和隱性的地方，為此我頭痛不已，最終我把它們徹底弄明白了。

首先 CAN 數(shù)據(jù)總線有兩條導(dǎo)線，一條是黃色的，一條是綠色的------分別是CAN_High 線和CAN_Low 線，當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這兩條導(dǎo)線上的電平一樣，這個(gè)電平稱為靜電平，大約為2.5 伏。

這個(gè)靜電平狀態(tài)就是隱形狀態(tài)，也稱隱性電平，也就是沒有任何干擾的時(shí)候的狀態(tài)稱為隱性狀態(tài)。當(dāng)有信號修改時(shí)，CAN_High 線上的電壓值變高了，一般來說會(huì)升高至少1V；而CAN_Low 線上的電壓值會(huì)降低一個(gè)同樣值，也是1v。

那么這時(shí)候，CAN_High 就是 2.5v+1v=3.5v，它就處于激活狀態(tài)了。而CAN_Low 降為2.5v-1v=1.5v。可以看看這個(gè)圖

由此我們得到

在隱性狀態(tài)下，CAN_High 線與CAN_Low 沒有電壓差，這樣我們看到?jīng)]有任何變化也就檢測不到信號。但是在顯性狀態(tài)時(shí)，改值最低為2V，我們就可以利用這種變化才傳輸數(shù)據(jù)了。所以出現(xiàn)了那些幀，那些幀中的場，那些場中的位，云云。

在總線上通常邏輯1 表示隱性。而0 表示顯性。這些1 啊，0 啊，就可以利用起來為我們傳數(shù)據(jù)了。利用這種電壓差，我們可以接收信號。

一般來說，控制單元通過收發(fā)器連接到 CAN 驅(qū)動(dòng)總線上，這個(gè)收發(fā)器（顧名思義，可發(fā)送，可接收）內(nèi)有一個(gè)接收器，該接收器是安裝在接收一側(cè)的差動(dòng)信號放大器。然后，這個(gè)放大器很自然地就放大了CAN_High 和CAN_Low 線的電平差，然后傳到接收區(qū)。如下圖

由上圖可知，當(dāng)有電壓差，差動(dòng)信號放大器放大傳輸，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)化為0。

下面我們進(jìn)入重點(diǎn)難點(diǎn)-----報(bào)文

所謂報(bào)文，就是CAN 總線上要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)，為了安全，我們要給我們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)編碼定一下協(xié)議，這樣才能不容易出錯(cuò)，所以出現(xiàn)了很多的幀，以及仲裁啊，CRC 效驗(yàn)。這些都是難點(diǎn)。

識別符的概念

識別符顧名思義，就是為了區(qū)分不同報(bào)文的可以鑒別的好多字符位。有標(biāo)準(zhǔn)的，和擴(kuò)展的。標(biāo)準(zhǔn)的是11 位，擴(kuò)展的是29 位。他有一個(gè)功能就是可以提供優(yōu)先級，也就是決定哪個(gè)報(bào)文優(yōu)先被傳輸，報(bào)文標(biāo)識符的值越小，報(bào)文具有越高的優(yōu)先權(quán)。

CAN 的報(bào)文格式有兩種，不同之處其實(shí)就是識別符長度不同，具有11 位識別符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而還有29 位識別符的幀為擴(kuò)展幀，CAN 報(bào)文有以下4 個(gè)不同的幀類型。分別是：

（1） 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳎?/p>

（2） 遠(yuǎn)程幀：總線節(jié)點(diǎn)發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀；

（3） 錯(cuò)誤幀：任何節(jié)點(diǎn)檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀；

（4） 過載幀：過載幀用已在先行的后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。

我們先研究數(shù)據(jù)幀吧。

一，數(shù)據(jù)幀由 7 個(gè)不同位場組成（幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾）。

這里的位場，就是不同位的組合，這名字起的很爛，讓人看了感覺很抽象。我們來看看這些個(gè)不同的位場吧。一開始是一位幀起始，也叫SOF。它用顯性位表示，也就是0；它告訴我們，兩個(gè)線上有電壓差了，也就是有數(shù)據(jù)了。

這個(gè)幀起始看起來只有一位，其實(shí)不簡單了。為了讓所有的分站都同步于發(fā)送報(bào)文的發(fā)送站，好接收數(shù)據(jù)，有很多要考慮的地方。

報(bào)文的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

然后下一個(gè)場是仲裁場。這個(gè)仲裁很抽象，其實(shí)在這里就是為了解決一個(gè)問題。如果2 個(gè)或2 個(gè)以上的單元同時(shí)開始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問沖突，那么仲裁機(jī)制就是用來根據(jù)標(biāo)識符優(yōu)先級來一個(gè)一個(gè)的去掉低級別的數(shù)據(jù)。我們可以詳細(xì)的描述這場生動(dòng)的爭搶總線的戰(zhàn)斗。

當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送顯性電平作為幀的開始。2 個(gè)或2 個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送開始爭搶總線，但是總線只能被一個(gè)人搶走。這時(shí)候到底怎么決定誰留下，誰滾蛋呢。我們開始思索，我們以前定義了標(biāo)識符，標(biāo)識符有優(yōu)先級，它越小，它優(yōu)先級越高。那么怎么實(shí)現(xiàn)的呢?？聪旅鎴D：

首先搞明白兩點(diǎn)，

一、下圖中， 低波形代表0（顯性），高波形代表1（隱性）；

二、當(dāng)隱性碰到顯性，就變?yōu)轱@性。

如圖所示，節(jié)點(diǎn) A 和節(jié)點(diǎn)B 的標(biāo)識符的第10、9、8 位電平相同，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽到的信息和它們發(fā)出的信息相同。第7位節(jié)點(diǎn)B發(fā)出一個(gè)“1”，但從節(jié)點(diǎn)上接收到的消息卻是“0”。

為什么呢，因?yàn)锳 節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出顯性位，讓總線也變成顯性了，也就是0。節(jié)點(diǎn)B 會(huì)退出發(fā)送處于單純監(jiān)聽方式而不發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)A 成功發(fā)送仲裁位從而獲得總線的控制權(quán)，繼而發(fā)送全部消息。

總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線控制權(quán)發(fā)出的報(bào)文，本例中節(jié)點(diǎn)A的報(bào)文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被傳送前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸了，因此具有高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸沒有任何延時(shí)。

在獲得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，其他節(jié)點(diǎn)成為報(bào)文的接收節(jié)點(diǎn)，并且不會(huì)在總線再次空閑之前發(fā)送報(bào)文，在這逐位的比較中，最終節(jié)點(diǎn)B 因?yàn)榈谄呶坏钠顏G掉了總線。從此單純監(jiān)聽，江山就拱手讓給了節(jié)點(diǎn)A 了。這就是仲裁機(jī)制。

上面我們說過，報(bào)文有兩種格式，標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展。這里，不同的格式仲裁場是不一樣的。標(biāo)準(zhǔn)格式下，仲裁場由11 位識別符和RTR 位組成。

但在擴(kuò)展格式里，包括29 位識別符、SRR 位、IDE 位、RTR 位。

RTR 位，Remote Tranmission Request BIT 全稱為遠(yuǎn)程發(fā)送請求位。它在數(shù)據(jù)幀里必須為顯性0 ，但在遠(yuǎn)程幀里為隱性1。

我暈，為什么這么搞呢，不急，先留著這個(gè)問題。

SRR 位，替代遠(yuǎn)程請求位，SRR 是一隱性位，也就是1，它在擴(kuò)展格式的標(biāo)準(zhǔn)幀RTR 位位置，那么標(biāo)準(zhǔn)幀怪不得優(yōu)先于擴(kuò)展幀了，因?yàn)樵趥鬏斖?1 位標(biāo)識符之后（擴(kuò)展幀的后18 位在最后發(fā)送，先發(fā)送11 位標(biāo)識符），輪到標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR 位和擴(kuò)展幀的SRR 位了。

這時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR 為顯性，而擴(kuò)展幀SRR 為隱性，這樣，總線自然就被標(biāo)準(zhǔn)幀占據(jù)。

同時(shí)上面那個(gè)問題，也一目了然了，CAN 總線協(xié)議設(shè)計(jì)者，肯定是設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。所以IDE(Identifier Extension Bit)，全稱識別符擴(kuò)展位，它屬于擴(kuò)展格式的仲裁場。

對于擴(kuò)展格式，IDE位屬于仲裁場；對于標(biāo)準(zhǔn)格式，IDE位屬于控制場。標(biāo)準(zhǔn)格式的IDE位為“顯性”，而擴(kuò)展格式的IDE位為“隱性”。

標(biāo)準(zhǔn)格式中的數(shù)據(jù)幀

拓展格式中的數(shù)據(jù)幀

控制場

控制場由6個(gè)位組成，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的控制場格式不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里的幀包括數(shù)據(jù)長度代碼、IDE位（為顯性位）及保留位r0。擴(kuò)展格式里的幀包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個(gè)保留位：r1和r0。其保留位必須發(fā)送為顯性，但是接收器認(rèn)可“顯性”和“隱性”位的任何組合。其結(jié)構(gòu)如圖所示：

控制場結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)長度代碼（標(biāo)準(zhǔn)格式以及擴(kuò)展格式）DLC，如下表所示

數(shù)據(jù)幀長度代碼DLC

數(shù)據(jù)長度代碼指示了數(shù)據(jù)場里的字節(jié)數(shù)量。其中：d—“顯性”， r—“隱性”，數(shù)據(jù)幀允許的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為{0，1，...，7，8}。其他的數(shù)值不允許使用。

數(shù)據(jù)場

數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0~8個(gè)字節(jié)，每字節(jié)包含了8個(gè)位，首先發(fā)送最高有效位（MSB）。

循環(huán)冗余碼CRC場是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定。

CRC場包括CRC序列（CRC Sequence），其后是CRC界定符（CRC Delimiter），結(jié)構(gòu)如圖：

生成 CRC 碼的基本原理：

任意一個(gè)由二進(jìn)制位串組成的代碼都可以和一個(gè)系數(shù)僅為‘0’和‘1’取值的多項(xiàng)式一一對應(yīng)。例如：代碼1010111 對應(yīng)的多項(xiàng)式為x6+x4+x2+x+1，而多項(xiàng)式為x5+x3+x2+x+1 對應(yīng)的代碼101111。

參考一下下面的例題，自已再領(lǐng)悟一下吧！已知信息位為1101，生成多項(xiàng)式G(x)= x3+x+1，求CRC 碼。

要傳輸?shù)男畔⑿蛄袨?101，在末尾添加所給多項(xiàng)式的最高次階個(gè)0，如本題為x^3，則添加3個(gè)0,變?yōu)椋?101000；

由多項(xiàng)式G(X)=X3+X+1，得其階數(shù)為1的二進(jìn)制編碼為：1011；1101000對1011進(jìn)行模二除法，所得到的余數(shù)即為校驗(yàn)碼，把校驗(yàn)碼添加在原數(shù)據(jù)尾部即為所求的編碼,則實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)序列為1101001。校驗(yàn)碼計(jì)算過程如圖所示：

模二除法

應(yīng)答場（ACK Field）

應(yīng)答場長度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙（ACK Slot）和應(yīng)答界定符（ACK Delimiter），如圖所示。在ACK場（應(yīng)答場）里，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。

當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙（ACK Slot）期間向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”位以示應(yīng)答。

幀結(jié)尾

每一個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由一標(biāo)志序列界定。這個(gè)標(biāo)志序列由7個(gè)“隱性”位組成。

二、遠(yuǎn)程幀

通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，總線的節(jié)點(diǎn)發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求以前發(fā)送給它數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)再發(fā)送一遍。具體發(fā)送哪個(gè)數(shù)據(jù)幀，由遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識符決定。

與數(shù)據(jù)幀類似，遠(yuǎn)程幀也有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，而且都由6個(gè)不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。

與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的RTR位是“隱性”的。它沒有數(shù)據(jù)場，數(shù)據(jù)長度代碼DLC的數(shù)值是不受制約的（可以標(biāo)注為容許范圍０~8里的任何數(shù)值），此數(shù)值是相應(yīng)于數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度代碼。遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)如圖所示：

遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)

三、錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場組成，第一個(gè)場是不同節(jié)點(diǎn)提供的錯(cuò)誤標(biāo)志（Error Flag）的疊加，第二個(gè)場是錯(cuò)誤界定符。

為了能正確地終止錯(cuò)誤幀，“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)要求總線至少有長度為3個(gè)位時(shí)間的總線空閑。因此，總線的載荷不應(yīng)為100%。錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)如圖：

錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)（圖中統(tǒng)一起見出錯(cuò)幀改為錯(cuò)誤幀）

(1) 錯(cuò)誤標(biāo)志，有兩種形式的錯(cuò)誤標(biāo)志：激活錯(cuò)誤標(biāo)志 和 認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志

“激活錯(cuò)誤”標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的“顯性”位組成；“認(rèn)可錯(cuò)誤”標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的“隱性”的位組成，除非被其他節(jié)點(diǎn)的“顯性”位重寫。

(2) 錯(cuò)誤界定符，錯(cuò)誤界定符包括8個(gè)“隱性”的位。

錯(cuò)誤標(biāo)志傳送了以后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就發(fā)送一個(gè)“隱性”的位，并一直監(jiān)視總線直到檢測出一個(gè)“隱性”的位為止，然后就開始發(fā)送其余7個(gè)“隱性”位。

四、過載幀

過載幀（Overload Frame）包括兩個(gè)位場：過載標(biāo)志 和 過載界定符，其結(jié)構(gòu)如圖：

過載幀結(jié)構(gòu)圖

有三種過載的情況會(huì)引發(fā)過載標(biāo)志的傳送：接收器的內(nèi)部情況，需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。

在間歇（Intermission）的第1和第2字節(jié)檢測到一個(gè)“顯性”位。這里有個(gè)間歇的概念。我們可以講講。間歇屬于幀間空間的一部分。它包含三個(gè)隱性位。間歇期間，所有的站不允許傳送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。它唯一要做的就是標(biāo)示一個(gè)過載條件。

如果CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符或過載界定符的第8位（最后一位）采樣到一個(gè)顯性位，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)過載幀。該幀不是錯(cuò)誤幀，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不會(huì)增加。

（1）過載標(biāo)志（Overload Flag）

過載標(biāo)志由6個(gè)“顯性”的位組成。過載標(biāo)志的所有形式和“激活錯(cuò)誤”標(biāo)志的一樣。

（2）過載界定符（Overload Delimiter）

過載界定符包括8個(gè)“隱性”的位。

五、幀間空間

數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）與先行幀的隔離是通過幀間空間實(shí)現(xiàn)的，無論此先行幀類型如何（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）。

幀間空間包括間歇、總線空閑的位場。如果“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)已作為前一報(bào)文的發(fā)送器，則其幀間空間除了間歇、總線空閑外，還包括稱作“掛起傳送”（暫停發(fā)送）（Suspend Transmission）的位場。

對于不是“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)，或作為前一報(bào)文的接收器的節(jié)點(diǎn)，其幀間空間如圖：

非 “錯(cuò)誤認(rèn)可”幀間空間

對于作為前一報(bào)文發(fā)送器的“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)，其幀間空間如圖：

“錯(cuò)誤激活”幀間空間

（1）總線空閑（Bus Idle）

總線空閑的時(shí)間是任意的。只要總線被認(rèn)定為空閑，任何等待發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)就會(huì)訪問總線。在發(fā)送其他報(bào)文期間，有報(bào)文被掛起，對于這樣的報(bào)文，其傳送起始于間歇之后的第一個(gè)位?？偩€上檢測到的“顯性”的位可被解釋為幀的起始。

（2）掛起傳送（Suspend Transmission）

“錯(cuò)誤認(rèn)可”的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文后，節(jié)點(diǎn)就在下一報(bào)文開始傳送之前或總線空閑之前發(fā)出8個(gè)“隱性”的位跟隨在間歇的后面。如果與此同時(shí)另一節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送報(bào)文（由另一節(jié)點(diǎn)引起），則此節(jié)點(diǎn)就作為這個(gè)報(bào)文的接收器。

最后用腦圖總結(jié)：

再來幾張實(shí)物圖：

CAN總線接收芯片

CAN總線控制器芯片

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀波形捕獲

擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀波形捕獲