淺談CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層

　　在物理線路上，由于噪聲干擾、信號(hào)衰減等多種原因，數(shù)據(jù)傳輸過程中常常出現(xiàn)差錯(cuò)，而物理層只負(fù)責(zé)透明地傳輸結(jié)構(gòu)的原始比特流，不可能進(jìn)行任何差錯(cuò)控制。因此，當(dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，除了必須有一條物理線路（鏈路）外，還必須有一些必要的規(guī)程來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。把實(shí)現(xiàn)這些規(guī)程的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）。

　　什么是 CAN 總線

　　CAN 是“Controller Area Network”的縮寫，即“控制器局域網(wǎng)”，是一個(gè) ISO 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議。CAN 總線由德國 BOSCH 公司研發(fā)設(shè)計(jì)，用于應(yīng)對(duì)汽車上日益龐大的電子控制系統(tǒng)的需求，其最大的特點(diǎn)是可拓展性好，可承受大量數(shù)據(jù)的高速通信，并且高度穩(wěn)定可到。ISO 組織通過 ISO11898 和 ISO11519 對(duì) CAN 總線進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，使其早早確立了歐洲汽車總線標(biāo)準(zhǔn)的地位。時(shí)至今日，CAN 總線已經(jīng)獲得業(yè)界的高度認(rèn)可，其應(yīng)用也從汽車電子領(lǐng)域延伸至工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。

　　CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　CAN 總線的物理連接只需要兩根線，常稱為 CAN_H 和 CAN_L，通過差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。CAN 總線有兩種電平，分別為 隱性電平 和 顯性電平，這兩種電平有著類似漏極 I/O 電平信號(hào)之間“與”的關(guān)系：

　　若隱性電平相遇，則總線表現(xiàn)為隱性電平；

　　若顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平；

　　若隱性電平和顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平。

　　一個(gè)典型的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，注意兩端的終端電阻是必需的。

　　CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層包括

　　1、通信機(jī)制

　　2、數(shù)據(jù)幀

　　3、錯(cuò)誤檢測(cè)

　　4、幀格式

　　5、位定時(shí)與同步

　　CAN總線幀格式

　　數(shù)據(jù)就是通過這種格式按位發(fā)送出去?？偩€上總共有以下5種不同類型的幀。

　　CAN 總線協(xié)議規(guī)定了5種幀，分別是數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀以及幀間隔，實(shí)踐中數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用最為頻繁。各種幀的用途如表1所示。

　　數(shù)據(jù)幀用來節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)，是使用最多的幀類型；遠(yuǎn)程幀用來接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)；錯(cuò)誤幀是某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)幀錯(cuò)誤時(shí)用來向其他節(jié)點(diǎn)通知的幀；過載幀是接收節(jié)點(diǎn)用來向發(fā)送節(jié)點(diǎn)告知自身接收能力的幀；用于將數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與前面幀隔離的幀。

　　數(shù)據(jù)幀根據(jù)仲裁段長度不同分為標(biāo)準(zhǔn)幀（2.0A）和擴(kuò)展幀（2.0B）。

　　幀起始由一個(gè)顯性位（低電平）組成，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他節(jié)點(diǎn)同步于幀起始；

　　幀結(jié)束由7個(gè)隱形位（高電平）組成。

　　仲裁段

　　CAN總線是如何解決多點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的問題？

　　由仲裁段給出答案。

　　CAN總線控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控總線電平，如果電平不同，則停止發(fā)送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競(jìng)爭(zhēng)；如果位于其他段，則產(chǎn)生錯(cuò)誤事件。

　　幀ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀；由于標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯性電平，擴(kuò)展幀的IDE位為隱形電平，對(duì)于前11位ID相同的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級(jí)比擴(kuò)展幀高。

　　控制段

　　數(shù)據(jù)段

　　為0-8字節(jié)，短幀結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性好，適合汽車和工控領(lǐng)域；

　　共6位，標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由擴(kuò)展幀標(biāo)志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴(kuò)展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。

　　ACK段

　　當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到的幀起始到CRC段都沒錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送隱性電平，線與結(jié)果為顯性電平。

　　遠(yuǎn)程幀

　　遠(yuǎn)程幀分為6個(gè)段，也分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，且RTR位為1（隱性電平）

　　CAN是可靠性很高的總線，但是它也有五種錯(cuò)誤。

　　CRC錯(cuò)誤：發(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯(cuò)誤；

　　格式錯(cuò)誤：幀格式不合法發(fā)生該錯(cuò)誤；

　　應(yīng)答錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK階段沒有收到應(yīng)答信息發(fā)生該錯(cuò)誤；

　　位發(fā)送錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯(cuò)誤；

　　位填充錯(cuò)誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時(shí)發(fā)生該錯(cuò)誤。

　　當(dāng)發(fā)生這五種錯(cuò)誤之一時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接受節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀

　　為防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯(cuò)而一直發(fā)送錯(cuò)誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及行為

　　過載幀

　　當(dāng)某節(jié)點(diǎn)沒有做好接收的“準(zhǔn)備”時(shí)，將發(fā)送過載幀，以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

　　幀間隔

　　用來隔離數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與他們前面的幀，錯(cuò)誤幀和過載幀前面不加幀間隔。