詳解常用的CAN總線(上)：報(bào)文幀

CAN總線是一種常用的總線，對于剛開始接觸CAN總線的，面對著各式各樣的資料，可能不知道從何看起，今天科普一下CAN總線的基礎(chǔ)知識。CAN2.0協(xié)議分為A版本和B版本，A版本協(xié)議為11位標(biāo)識符（標(biāo)準(zhǔn)幀），B版本在兼容11位ID標(biāo)識符的同時(shí)，向上擴(kuò)展到29位ID標(biāo)識符。

CAN總線的物理電平

對 CAN 總線的協(xié)議了解之前，先介紹一下 CAN總線的電平，CAN總線的基本狀態(tài)有兩種，分別為“顯性”和“隱性”，也就是“邏輯 0”和“邏輯 1”，如圖 1：

圖中兩個(gè) CAN 總線節(jié)點(diǎn)分別接在 CAN 總線上，兩個(gè)終端為什么要接兩個(gè) 120Ω的終端電阻？

首先解釋一下“終端電阻”這個(gè)名詞，終端電阻是一種信號在傳輸過程中遇到的阻礙，高頻信號傳輸時(shí)，信號波長相對傳輸線較短，信號在傳輸線終端會形成反射波，干擾原信號，所以需要在傳輸線末端加終端電阻，使信號到達(dá)傳輸線末端后不反射。對于低頻信號則不用。在長線信號傳輸時(shí)，一般為了避免信號的反射和回波，也需要在接收端接入終端匹配電阻。

終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性，特別注意的是與電纜的長度無關(guān)。RS-485/RS-422 /CAN 總線一般采用雙絞線（屏蔽或非屏蔽）連接，終端電阻一般介于100至140Ω之間，典型值為120Ω。在實(shí)際配置時(shí)，在電纜的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上，即最近端和最遠(yuǎn)端，各接入一個(gè)終端電阻，而處于中間部分的節(jié)點(diǎn)則不能接入終端電阻，否則將導(dǎo)致通訊出錯(cuò)。

現(xiàn)在繼續(xù)介紹 CAN 總線的邏輯，CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，依靠的是差分電平，因?yàn)?CAN 總線是雙絞線，所以在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩條線的電壓相同，均為2.5V，差值為 0，所以為“隱形”，若是有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩條線就會出現(xiàn)電壓不通的情況，CAN_H 為 3.5V、CAN_L 為 1.5V，電壓差為 2V，所以為“顯性”。

現(xiàn)在用兩個(gè)等式來對 CAN 的電平做一個(gè)總結(jié)，那就是：

CAN 總線為隱性 = 無電壓差 = 邏輯 1

CAN 總線為顯性 = 有電壓差 = 邏輯 0

CAN報(bào)文幀詳解

在了解 CAN 硬件之后，知道了邏輯“0”和邏輯“1”，CAN 報(bào)文幀就是由這些0和1組成。由圖可以看出，CAN-bus 的通信幀共分為五種幀： 數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀和幀間隔 ，數(shù)據(jù)幀又有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種。

數(shù)據(jù)幀和遙控幀

在 CAN 協(xié)議中，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有著諸多相同之處，將數(shù)據(jù)幀和遙控幀放在一起來講。數(shù)據(jù)幀是指包含了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的幀，作用是承載發(fā)送節(jié)點(diǎn)要傳遞給接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

遙控幀的作用： 請求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出與本遙控幀具有相同 ID 號的數(shù)據(jù)幀。發(fā)起方發(fā)起特定ID的遙控幀，并且只發(fā)送ID部分，那么與其 ID相符的終端設(shè)備就有義務(wù)在后半段的數(shù)據(jù)部分接管總線控制權(quán)并發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

例如中控機(jī)需要定時(shí)獲取某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（例如轉(zhuǎn)速計(jì)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、油量計(jì)的實(shí)時(shí)油量等），可以向總線發(fā)送遠(yuǎn)程幀；相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在接收判斷幀 ID與自己相符、并且是遠(yuǎn)程幀的情況下，就可以將自己的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上；這樣中控機(jī)就獲取到了相關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程幀最大的好處就是只需要一幀的時(shí)間就能完成一次雙向交互。

兩種幀格式由幀起始、仲裁幀、控制端、數(shù)據(jù)段、CPC 段、ACK 段、幀結(jié)束， 不同的段有不同的用途。

起始段

幀的最開始的一位是幀起始，也叫 SOF（Start Of Frame），SOF 恒為顯性位，即邏輯0。幀起始表示CAN_H和CAN_L上有了電位差，也就是說，一旦總線上有了 SOF 就表示總線上開始有報(bào)文了。

仲裁段

CAN 總線有一個(gè)特點(diǎn)，就是所有節(jié)點(diǎn)均可以獲得總線的控制權(quán)并且向 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)同時(shí)有 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的設(shè)備要求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會產(chǎn)生總線沖突，這時(shí)就需要判斷一個(gè)先后順序，而仲裁段就是判斷先后順序的裁判員，仲裁段會對 CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，ID 碼值越小的數(shù)據(jù)越具有優(yōu)先權(quán)，從而使具有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)不受任何損壞地傳輸。

仲裁段是如何仲裁的？各節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送電平的同時(shí)，也對總線上的電平讀取，并與自身發(fā)送的電平進(jìn)行比較，如果電平相同繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送退出總線競爭。剩余的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)上述過程，直到總線上只剩下1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平，總線競爭結(jié)束，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的控制權(quán)。

假設(shè) CAN 總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn)A 的 ID為 10101000000，節(jié)點(diǎn) B 的ID為 101100000，當(dāng)節(jié)點(diǎn) A 和節(jié)點(diǎn) B 同時(shí)向CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如下圖，當(dāng)發(fā)送到 ID7 時(shí)，節(jié)點(diǎn) A 仲裁成功，從而獲得 CAN 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，在這里值得注意的是，CAN 總線的這種仲裁方式優(yōu)點(diǎn)在于，無論是總線的控制權(quán)在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，CAN 總線傳輸?shù)膱?bào)文已經(jīng)在總線上傳輸了。

因此，CAN 總線具有高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，沒有任何延遲，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)，并且不會在總線再次空閑之前發(fā)送報(bào)文。

仲裁段是用來判定一幀報(bào)文優(yōu)先級的依據(jù) ，仲裁段中的 ID 號也是實(shí)現(xiàn)報(bào)文過濾機(jī)制的基礎(chǔ)。那么不同幀的優(yōu)先級是怎么體現(xiàn)的呢？

RTR 位： Tranmission Request Bit （遠(yuǎn)程發(fā)送請求位），RTR 用來區(qū)分該幀是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀。當(dāng) RTR為邏輯 0 時(shí)，代表該幀為數(shù)據(jù)幀；當(dāng) RTR 為邏輯 1 時(shí)，代表該幀為遠(yuǎn)程幀。

由圖可以看出，當(dāng)四種傳輸幀時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的RTR 都為 0，可以看出數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級大于遠(yuǎn)程幀的優(yōu)先級。RTR 的作用是在前 11 位 ID 號相同的情況下，保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程幀。

SRR 位： Substitutes for Remote Requests Bit（替代遠(yuǎn)程請求位）

在擴(kuò)展幀（數(shù)據(jù)幀或遙控幀）中，SRR 恒為隱性位 1，并且可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展幀的隱性 SRR 位正好對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的顯性 RTR 位，可以看出標(biāo)準(zhǔn)幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展幀。SRR 位的作用，在前 11 位 ID 號相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

IDE 位： Identifier Extension Bit（標(biāo)識符擴(kuò)展位），IDE 用來區(qū)分該幀是標(biāo)準(zhǔn)幀幀還是擴(kuò)展幀。當(dāng) IDE 為邏輯 0 時(shí)，代表該幀為標(biāo)準(zhǔn)幀；當(dāng) IDE 為邏輯 1 時(shí)，代表該幀為擴(kuò)展幀。擴(kuò)展幀 IDE 位和標(biāo)準(zhǔn)幀 IDE 位位置對應(yīng)，可以看出，標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的優(yōu)先級一定高于擴(kuò)展遙控幀。IDE 位的作用，在前 11 位相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

在 ID 號前 11 位相同的情況下：

RTR ：保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程幀；

SRR ：保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

IDE ：保證標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀。

控制段

控制段由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 RB0。

擴(kuò)展格式里的幀包括：數(shù)據(jù)長度代碼、兩個(gè)保留位 RB0 和 RB1。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：

數(shù)據(jù)幀長度代碼（DLC），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)段

數(shù)據(jù)段由數(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）。

CRC校驗(yàn)段

CRC 包含 CRC 校驗(yàn)序列和 CRC 界定符（恒為隱形，即邏輯 1），通過多項(xiàng)式生成 CRC 值，比較發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn) CRC 是否一致，來確保幀的有效性，計(jì)算范圍包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)【幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場】是否與接收節(jié)點(diǎn)【幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場】是否一致。

傳統(tǒng) CAN 使用的是 CRC15 的算法，這個(gè)通過 CAN 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可以看出，CRC段的長度就是 15 位。CAN FD 之所以有兩種是因?yàn)?CAN FD 的數(shù)據(jù)長度是可變的， 針對不同的數(shù)據(jù)長度使用的方法不同，低于 16 字節(jié)的使用的是 CRC17，高于 16 字節(jié)的使用的是 CRC21。

ACK段

ACK段包含 ACK 槽和 ACK 界定符兩個(gè)位。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)在 ACK 段發(fā)送兩個(gè)隱性位，即發(fā)送方發(fā)出的報(bào)文中 ACK 槽為隱性 1；接收節(jié)點(diǎn)在接收到正確的報(bào)文之后會在 ACK 槽發(fā)送顯性位 0，通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)正常接收結(jié)束。所謂接收到正確的報(bào)文指的是接收到的報(bào)文沒有填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、CRC 錯(cuò)誤。

以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀為例來分析 ACK 段的工作方式，Node_A 為發(fā)送節(jié)點(diǎn)， Node_B 為接收節(jié)點(diǎn)。Node_A 在 ACK 段發(fā)送兩個(gè)隱性位 1。Node_B 正確接收到這一報(bào)文后，在 ACK 段的 ACK 槽中填充了一個(gè)顯性位 0。注意，這個(gè)時(shí)候 Node_A 回讀到的總線上的額電平為顯性 0，于是這個(gè)時(shí)候，Node_A 就知道自己發(fā)出去的報(bào)文至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收了。

結(jié)束段（EOF）

每一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀均由 7 個(gè)連續(xù)的隱性位 1 組成。幀結(jié)束強(qiáng)制不遵守位填充特性，表達(dá)出明顯的結(jié)束標(biāo)識。這樣接收節(jié)點(diǎn)可以正確檢測到一個(gè)幀的傳輸結(jié)束。