一文搞懂CAN總線的數(shù)據(jù)幀和遙控幀

CAN總線上傳輸?shù)?a target="_blank">信息稱為報文，當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發(fā)送新的報文。

CAN通信是通過以下5種類型的幀進行的：

數(shù)據(jù)幀

遙控幀

錯誤幀

過載幀

幀間隔

另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有 11 個位的標識符（Identifier: 以下簡稱 ID）， 擴展格式有 29 個位的 ID。

各種幀的用途如下表所示：

數(shù)據(jù)幀由7個段構成，圖解說明如下所示：

幀起始：表示數(shù)據(jù)幀開始的段；

仲裁段：表示該幀優(yōu)先級的段，根據(jù)仲裁段ID碼長度的不同，分為標準幀（CAN 2.0A）和擴展幀（CAN 2.0B）；

控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段；

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可發(fā)送0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)；

CRC段：檢查幀的傳輸錯誤的段；

ACK段：表示確認正常接收的段；

幀結(jié)束：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

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數(shù)據(jù)幀

1.1、幀起始

幀起始由1個顯性位組成?？偩€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。

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，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。）

1.2、仲裁段

仲裁段用于寫明需要發(fā)送到目的CAN節(jié)點的地址、確定發(fā)送的幀類型（當前發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀還是遙控幀），并確定發(fā)送的幀格式是標準幀還是擴展幀。

仲裁段在標準格式幀和擴展格式幀中有所不同。標準格式幀的仲裁段由11位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成，擴展格式幀的仲裁場由29位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成。

1.2.1、標準數(shù)據(jù)幀

標準數(shù)據(jù)幀基于早期的CAN規(guī)格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。

CAN標準幀幀信息是11字節(jié)，包括幀描述符和幀數(shù)據(jù)兩部分。如下表所列：

前3字節(jié)為幀描述部分。字節(jié)1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。

標準數(shù)據(jù)幀的 ID 有 11 個位。從 ID10到 ID0依次發(fā)送。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。

字節(jié)2~3為報文識別碼，其高11位有效。

字節(jié)4~11為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。

1.2.2、擴展數(shù)據(jù)幀

CAN擴展幀幀信息是13字節(jié)，包括幀描述符和幀數(shù)據(jù)兩部分，如下表所示：

前5字節(jié)為幀描述部分。字節(jié)1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。

擴展格式的 ID 有 29 個位。基本 ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和 標準格式的 ID 相同。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。

字節(jié)2~5為報文識別碼，其高28位有效。

字節(jié)6~13為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。

1.3、控制段

控制段由6個位組成，包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個將來作為擴展用的保留位，標準格式和擴展格式的構成有所不同。

數(shù)據(jù)長度代碼指示了數(shù)據(jù)段中的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)長度代碼為4個位，在控制段里被發(fā)送，數(shù)據(jù)幀長度允許的字節(jié)數(shù)為0、1、2、3、4、5、6、7、8，其他數(shù)值為非法的。

保留位（r0、r1）必須全部以顯性電平發(fā)送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。

數(shù)據(jù)長度碼（DLC）與數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)的對應關系如下表所示：

數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)必須為 0~8 字節(jié)，但接收方對 DLC = 9~15 的情況并不視為錯誤。

1.4、數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成，它可以為0~8字節(jié)，每字節(jié)包含了8位，首先發(fā)送最高有效位MSB，依次發(fā)送至最低有效位LSB。

1.5、CRC段

CRC段是檢查幀傳輸錯誤的幀，包括：15 個位的 CRC序列（CRC SEQUENCE）和1 個位的CRC界定符（CRC DELIMITER）構成。

CRC序列是根據(jù)多項式生成的 CRC 值，CRC 的計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù) 段。接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進行比較，不一致時會通報錯誤。

1.6、ACK段

ACK段用來確認是否正常接收。由 ACK 槽（ACK SLOT）和 ACK 界定符（ACK DELIMITER）2 個位構成。

發(fā)送單元在 ACK 段發(fā)送 2 個位的隱性位。當接收器正確地接收到有效的報文時，接收器就會在應答間隙（ACK SLOT）期間（發(fā)送ACK 信號）向發(fā)送器發(fā)送一個“顯性”的位以示應答，通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束，這稱作“發(fā)送 ACK”或者“返回 ACK”。

發(fā)送 ACK/返回 ACK是在既不處于總線關閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元 （發(fā)送單元不發(fā)送 ACK）。所謂正常消息是指不含填充錯誤、格式錯誤、CRC 錯誤的消息。

1.7、幀結(jié)束

幀結(jié)束是由每一個數(shù)據(jù)幀和遠程幀的標志序列界定的，這個標志序列由7個“隱性”位組成。

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標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀

CAN協(xié)議可以接收和發(fā)送11位標準數(shù)據(jù)幀和29位擴展數(shù)據(jù)幀，CAN標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀只是幀ID長度不同，以便可以擴展更多CAN節(jié)點。

2.1、標準數(shù)據(jù)幀

標準數(shù)據(jù)幀基于早期的CAN規(guī)格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。

CAN標準幀幀信息是11字節(jié)，包括幀描述符和幀數(shù)據(jù)兩部分。如下表所列：

前3字節(jié)為幀描述部分。字節(jié)1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。

標準數(shù)據(jù)幀的 ID 有 11 個位。從 ID10 到 ID0 依次發(fā)送，可以出現(xiàn)2^11種報文，幀ID的范圍是：000-7FF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。

字節(jié)2~3為報文識別碼，其高11位有效。

字節(jié)4~11為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。

2.2、擴展數(shù)據(jù)幀

CAN擴展幀幀信息是13字節(jié)，包括幀描述符和幀數(shù)據(jù)兩部分，如下表所示：

前5字節(jié)為幀描述部分。字節(jié)1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。

擴展格式的 ID 有 29 個位，基本 ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示，基本 ID 和 標準格式的 ID 相同，可以出現(xiàn)2^29種報文，且在數(shù)據(jù)鏈路上是有間隙的（對操作者透明），幀ID的范圍是0000 0000-1FFF FFFF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。

字節(jié)2~5為報文識別碼，其高28位有效。

字節(jié)6~13為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠程幀時無效。

2.3、標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀的特性

CAN標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀只是幀ID長度不同，功能上都是相同的，它們有一個共同的特性：幀ID數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。

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遙控幀

3.1、遙控幀格式

遙控幀是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)所用的幀，遙控幀由 6 個段組成，遙控幀沒有數(shù)據(jù)段。

遙控幀的構成如下所示：

幀起始（SOF）：表示幀開始的段；

仲裁段：表示該幀優(yōu)先級的段?？烧埱缶哂邢嗤?ID 的數(shù)據(jù)幀；

控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段；

CRC 段：檢查幀的傳輸錯誤的段；

ACK 段：表示確認正常接收的段；

幀結(jié)束：表示遙控幀結(jié)束的段。

遙控幀格式如下圖所示：

3.2、數(shù)據(jù)幀和遙控幀的區(qū)別

數(shù)據(jù)幀和遙控幀主要有兩點區(qū)別：

遙控幀沒有數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段；

遙控幀RTR位是隱性，RTR位的極性表示了所發(fā)送的幀是數(shù)據(jù)幀（RTR位“顯性”）還是遠程幀（RTR位“隱性”）。所以，沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過 RTR 位區(qū)別開來。

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錯誤幀

4.1、錯誤幀格式

錯誤幀由錯誤標志（Error Flag）和錯誤界定符（Error Delimiter）組成。

接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有錯誤時，將自動發(fā)出活動錯誤標志，它是6個連續(xù)的顯性位。其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送錯誤認可標志，它由6個連續(xù)的隱性位組成。由于各個接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)錯誤的時間可能不同，所以總線上實際的錯誤標志可能由6~12個顯性位組成。

錯誤界定符由 8 個位的隱性位構成。當錯誤標志發(fā)生后，每一個CAN 節(jié)點監(jiān)視總線，直至檢測到一個顯性電平的跳變。此時表示所有的節(jié)點已經(jīng)完成了錯誤標志的發(fā)送，并開始發(fā)送8個隱性電平的界定符。

如下所示：

4.2、主動錯誤標志和被動錯誤標志

錯誤標志包括主動錯誤標志和被動錯誤標志兩種。

主動錯誤標志：處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志，6 個位的顯性位；

被動錯誤標志：處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志，6 個位的隱性位。

4.3、錯誤幀種類

錯誤幀共有 5 種，多種錯誤可能同時發(fā)生，種類如下所示：

位錯誤

填充錯誤

CRC 錯誤

格式錯誤

ACK 錯誤

錯誤的種類、錯誤的內(nèi)容、錯誤檢測幀和檢測單元如下表所示：

重點聊一聊位錯誤和格式錯誤。

位錯誤特性如下所示：

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

在仲裁段輸出隱性電平，但檢測出顯性電平時，將被視為仲裁失利，而不是位錯誤；

在仲裁段作為填充位輸出隱性電平時，但檢測出顯性電平時，將不視為位錯誤，而是填充錯誤；

發(fā)送單元在 ACK 段輸出隱性電平，但檢測到顯性電平時，將被判斷為其它單元的 ACK 應答，而非位錯誤；

輸出被動錯誤標志（6 個位隱性位）但檢測出顯性電平時，將遵從錯誤標志的結(jié)束條件，等待檢測出連續(xù)相同 6 個位的值（顯性或隱性），并不視為位錯誤。

格式錯誤特性如下所示：

即使接收單元檢測出 EOF（7 個位的隱性位）的最后一位（第 8 個位）為顯性電平，也不視為格式錯誤；

即使接收單元檢測出數(shù)據(jù)長度碼（DLC）中 9～15 的值時，也不視為格式錯誤。

發(fā)送單元發(fā)送完錯誤幀后，將再次發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遙控幀，錯誤標志輸出時序如下表所示：

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過載幀

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀，過載幀由過載標志和過載界定符構成。

過載標志由6個位的顯性位組成，過載標志的構成與主動錯誤標志的構成相同。過載標志其形式破壞了間歇場的固定格式，結(jié)果使其他所有節(jié)點也檢測到了一個出錯狀態(tài)，就都各自送出一個超載標志。

過載界定符由8個位的隱性位組成，過載界定符的構成與錯誤界定符的構成相同。過載標志發(fā)送完畢后，每個節(jié)點都對總線進行監(jiān)察，直到檢測到一個隱性位為止。此時，每個節(jié)點均已發(fā)送完各自的過載標志，接著所有節(jié)點還要同時開始發(fā)送7個隱性位，配齊長達8位的過載界定符。

過載幀的構成如下圖所示：

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幀間隔

幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開，過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。

幀間隔的構成如下圖所示：

幀間隔由間隔段、總線空閑段和延遲傳送段組成，具體說明如下所示：

間隔段：間歇由3個隱性位構成。在間歇期間，不允許任何節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀。唯一可以執(zhí)行的操作是通報超載狀態(tài)；

總線空閑段：總線空閑時間長短不限?？偩€一經(jīng)確認處于空閑狀態(tài)，則任何節(jié)點都可以訪問總線來傳送信息。因另一幀正在傳送而延期發(fā)送的幀是從間歇之后的第一位開始送出的。通過對總線進行檢測，出現(xiàn)在總線空閑期間的顯性位將被認為是幀起始；

延遲傳送段：處于錯誤認可狀態(tài)的節(jié)點完成其發(fā)送動作后，在被允許發(fā)送下一幀以前，它要在間歇之后送出8個隱性位。如果間歇期間執(zhí)行了（由另一個節(jié)點引起的）發(fā)送動作，此節(jié)點將會變成正被發(fā)送的幀的接收器。

審核編輯：劉清