了解CAN協(xié)議中五種類型的幀結(jié)構(gòu)

　　什么是CAN協(xié)議的幀類型

　　在了解CAN總線的通信機(jī)制之前，首先需要了解CAN協(xié)議中五種類型的幀結(jié)構(gòu)：

　　數(shù)據(jù)幀

　　遙控幀

　　錯誤幀

　　過載幀

　　幀間隔

　　在講述五種幀結(jié)構(gòu)的過程中，穿插講述CAN總線的通信機(jī)制。

　　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，所以，在這里，我們將數(shù)據(jù)幀和遙控幀放在一起來講。

　　顧名思義，所謂數(shù)據(jù)幀，就是包含了我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的幀，其作用當(dāng)然也就是承載發(fā)送節(jié)點(diǎn)要傳遞給接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。而遙控幀的作用可以描述為：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。比如：在某一個時刻，節(jié)點(diǎn)Node_A向總線發(fā)送了一個ID號為ID_2的遙控幀，那么就意味著Node_A請求總線上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送ID號為ID_2的數(shù)據(jù)幀。節(jié)點(diǎn)Node_B能夠發(fā)出ID號為ID_2的數(shù)據(jù)幀，那么Node_B就會在收到Node_A發(fā)出的遙控幀之后，立刻向總線上發(fā)送ID號為ID_2的數(shù)據(jù)幀。正所謂：君當(dāng)作幀頭，

　　妾當(dāng)做幀尾，

　　日日來連體，

　　春眠不覺曉。

　　數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含七個段：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段、幀結(jié)束。?

遙控幀相比于數(shù)據(jù)幀，從幀結(jié)構(gòu)上來看，只是少了數(shù)據(jù)段，包含六個段：幀起始、仲裁段、控制段、CRC段、ACK段、幀結(jié)束。

數(shù)據(jù)幀和遙控幀都分為標(biāo)準(zhǔn)幀（CAN2.0A）和擴(kuò)展幀（CAN2.0B）兩種結(jié)構(gòu)。

　　遙控幀相比于數(shù)據(jù)幀除了缺少數(shù)據(jù)段之外，遙控幀的RTR位恒為隱性1，數(shù)據(jù)幀的RTR位恒為顯性0。2.1 幀起始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文了。2.2 仲裁段仲裁段是用來判定一幀報文優(yōu)先級的依據(jù)，仲裁段中的ID號也是實現(xiàn)報文過濾機(jī)制的基礎(chǔ)。仲裁段由以下幾個部分組成，

　　數(shù)據(jù)幀仲裁段：

　　遙控幀仲裁段：

可以看到相比于數(shù)據(jù)幀仲裁段RTR位恒為顯性0，遙控幀仲裁段的RTR位恒為隱性1。

　　2.2.1仲裁過程在CAN總線通信中，有一種回讀機(jī)制：指的是節(jié)點(diǎn)在向總線上發(fā)送報文的過程中，同時也對總線上的二進(jìn)制位進(jìn)行“回讀”。通過這種機(jī)制，節(jié)點(diǎn)就可以判斷出本節(jié)點(diǎn)發(fā)出的二進(jìn)制位與總線上當(dāng)前的二進(jìn)制位是否一致。還有一種叫做線與機(jī)制：指的是在總線上，顯性位能夠覆蓋隱性位。舉個例子：在某一個時刻，節(jié)點(diǎn)Node_A向總線發(fā)送了一個顯性位0，Node_B向總線發(fā)送了一個隱性位1，那么在該時刻，總線上的電平為顯性0。下面將以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的一個例子來分析CAN總線的非破壞性逐位仲裁機(jī)制。一條CAN總線上有Node_A 和 Node_B兩個節(jié)點(diǎn)，在總線空閑時，總線上為隱性電平，就在這個時候Node_A 和 Node_B 這兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，如下圖：?

從圖中可以看出，在Node_A 和 Node_B 傳輸數(shù)據(jù)前，總線處于空閑狀態(tài)，為隱性電平1，這也就意味著，此時總線上的任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　在某一時刻，Node_A 和Node_B兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。按照線與機(jī)制，總線上的電位為：

　　在Node_A和Node_B兩個節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，他們同時回讀總線上的電平。從圖中我們可以看到，Node_A 和Node_B的ID10 、ID9、ID8電位相同，因此這兩個節(jié)點(diǎn)從總線上聽到的電位與他們自己發(fā)出的電位也相同，這個時候還沒有分出勝負(fù)。

　　當(dāng)Node_B回讀總線上的 ID7 這一位時，發(fā)現(xiàn)總線上的電平跟它自己發(fā)送到總線上的不一樣，此時，Node_B知道自己在爭奪總線的仲裁中失敗了，那么它主動地轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，不再發(fā)出信息。于是在此之后，總線上的電平和Node_A發(fā)出的電平一致，也就是說，Node_A占據(jù)了總線的發(fā)送權(quán)。通過上面的分析我們可以看到，在整個仲裁過程中：

　　在Node_A獲取總線的發(fā)送權(quán)之后，Node_A接著發(fā)送自己的Msg_A，因此在競爭總線的過程中不會對Msg_A的傳輸造成延時；

　　在兩個節(jié)點(diǎn)競爭總線的過程中，不會破壞Msg_A;

　　正是由于上面的兩點(diǎn)，才稱之為非破壞性仲裁機(jī)制。Tips：通過上面仲裁過程的分析，我們可以解釋CAN總線通信的三個特點(diǎn)： 1）多主控制方式：只要總線空閑，總線上的任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，直到節(jié)點(diǎn)在仲裁中一個個失敗，最后只留下一個節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。 2）非破壞性仲裁機(jī)制：仲裁段逐位總裁，依靠回讀機(jī)制、線與機(jī)制得以實現(xiàn)。 3）半雙工通信：所謂半雙工通信，指的是節(jié)點(diǎn)不能在自己發(fā)送報文的時候，同時接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的報文。這是顯然的，一個節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送報文時，已經(jīng)占據(jù)了總線的發(fā)送權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)肯定不能向總線上發(fā)送報文?？匆粋€CAN報文發(fā)送的實例，CAN總線上有四個節(jié)點(diǎn)：Node_A、Node_B、Node_C、Node_D。發(fā)送的報文的ID號分別為5、7、3、6.

2.2.2 仲裁段中的RTR，SRR和IDE位通過上面標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的仲裁過程分析，我們已經(jīng)理解了CAN總線的仲裁機(jī)制。但同時也注意到仲裁段除了ID號之外，還有其他的位。1）RTR位：Tranmission Request Bit （遠(yuǎn)程發(fā)送請求位）。在數(shù)據(jù)幀中，RTR位恒為顯性位0，在遙控幀中，恒為隱性1。Tips：這么做的原因是保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于遙控幀。比如：在某一時刻t，節(jié)點(diǎn)Node_A發(fā)出了ID號為ID_2遙控幀報文來請求總線上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出ID號為ID_2的數(shù)據(jù)幀報文。但是就在同一時刻t，節(jié)點(diǎn)Node_B發(fā)出了ID號為ID_2的數(shù)據(jù)幀報文。這個時候怎么辦呢，顯然依靠ID號不能仲裁出這兩幀報文（一個遙控幀，一個數(shù)據(jù)幀，ID號相同）誰能占據(jù)總線的發(fā)送權(quán)，這種情況下，RTR位就起作用了，由于RTR在數(shù)據(jù)幀中恒為顯性0，在遙控幀中恒為隱性1，所以在ID號相同的情況下，一定是數(shù)據(jù)幀仲裁獲勝。這就解釋了 RTR位的作用：在ID號相同的情況下，保證數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級高于遙控幀。2）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)幀的顯性RTR位，這就解釋了 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；

　　3）IDE位

　　全稱：Identifier Extension Bit（標(biāo)識符擴(kuò)展位）。在擴(kuò)展幀中恒為隱性1，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，IDE位于控制段，且恒為顯性0。且擴(kuò)展幀IDE位和標(biāo)準(zhǔn)幀IDE位位置對應(yīng)，這就保證了：在前11位ID號相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的優(yōu)先級一定高于擴(kuò)展遙控幀。

　　總結(jié)：

　　在ID號前11位相同的情況下：RTR：保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于遙控幀；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)展遙控幀。2.2.3 報文過濾在CAN總線中沒有地址的概念，CAN總線是通過報文ID來實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的。CAN節(jié)點(diǎn)上都會有一個驗收濾波ID表，其位于CAN節(jié)點(diǎn)的驗收濾波器中，如果總線上的報文的ID號在某個節(jié)點(diǎn)的驗收濾波ID表中，那么這一幀報文就能通過該節(jié)點(diǎn)驗收濾波器的驗收，該節(jié)點(diǎn)就會接收這一幀報文。比如：Node_A發(fā)送了一幀ID號為ID_1的報文Msg_1，Node_B的驗收濾波ID表中恰好有ID_1，于是乎Msg_1就會被Node_B接收。Tips：報文過濾機(jī)制體現(xiàn)了CAN通信的兩條特點(diǎn)：

　　一對一、組播和廣播

　　系統(tǒng)的柔性：正是因為CAN總線上收發(fā)報文是基于報文ID實現(xiàn)的，所以總線上添加節(jié)點(diǎn)時不會對總線上已有的節(jié)點(diǎn)造成影響。

　　2.3 控制段數(shù)據(jù)幀和遙控幀的控制段結(jié)構(gòu)相同：

　　標(biāo)準(zhǔn)幀中IDE位對應(yīng)擴(kuò)展幀中的IDE位，保證在前11位ID號相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)幀的優(yōu)先級一定高于擴(kuò)展幀；

　　然后是保留位r0和r1（擴(kuò)展幀），保留位r0和r1必須以顯性電平發(fā)送，但是接受方可以接受顯性、隱性及其任意組合的電平；

　　最后是4個字節(jié)的DLC（DLC3、DLC2、DLC1、DLC0）代表數(shù)據(jù)長度，指示了數(shù)據(jù)段中的字節(jié)數(shù)。對于沒有數(shù)據(jù)段的遙控幀，DLC表示該遙控幀對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。

　　2.4 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段可以包含0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，從MSB（最高位）開始輸出。2.5 CRC段CRC段包含CRC校驗序列和CRC界定符。?

CRC校驗序列是根據(jù)多項式生成的CRC值，其計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段和數(shù)據(jù)段。

　　CRC界定符恒為隱性1。

　　2.6 ACK段

　　ACK段包含ACK槽和ACK界定符兩個位。

　　發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK段發(fā)送兩個隱性位，即發(fā)送方發(fā)出的報文中ACK槽為隱性1；

　　接收節(jié)點(diǎn)在接收到正確的報文之后會在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文指的是接收到的報文沒有填充錯誤、格式錯誤、CRC錯誤。

　　Tips：我們以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀為例來分析ACK段的工作方式：如圖所示，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)送兩個隱性位1。Node_B正確接收到這一報文后，在ACK段的ACK槽中填充了一個顯性位0。注意，這個時候Node_A回讀到的總線上的額電平為顯性0，于是這個時候，Node_A就知道自己發(fā)出去的報文至少有一個節(jié)點(diǎn)正確接收了。