一條CAN報(bào)文到底有多少位？

CAN-bus總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，而很多非常熟練的CAN工程師，面對(duì)一條CAN報(bào)文到底有多少位的問題時(shí)，卻不能非常準(zhǔn)確地回答。今天我們就從最基本的幀格式來解惑一條CAN報(bào)文的到底有多少位。

CAN報(bào)文幀分為幾種呢？CAN-bus通信幀共分為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀和幀間隔。而數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀又有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種。其幀類型以及用途如表 1所示：

表 1 幀類型及用途

? 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀從結(jié)構(gòu)上看分為7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)段、ACK應(yīng)答段、幀結(jié)束段。如圖1：

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀跟擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

· 幀起始段：該段由單個(gè)顯性位構(gòu)成，在總線空閑時(shí)才允許發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于開始發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的起始位;

· 標(biāo)準(zhǔn)幀仲裁段：標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁段由11位ID碼和一個(gè)顯性位RTR碼組成，RTR碼為遠(yuǎn)程幀標(biāo)識(shí)位；

· 擴(kuò)展幀仲裁段：擴(kuò)展幀的仲裁段由29位ID碼、一位顯性的SRR碼、一位隱性的IDE碼和一位顯性的RTR碼組成；

· 標(biāo)準(zhǔn)幀控制段：標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由單位顯性的IDE、保留位r0和4位數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成，DLC數(shù)據(jù)段采用BCD編碼；

· 擴(kuò)展幀控制段：擴(kuò)展幀的控制段由兩個(gè)保留位r1和r0和4位的DLC數(shù)據(jù)段組成，r1和r0都為顯性填充，接收時(shí)無論保留位是顯性還是隱性都沒有影響；

· 數(shù)據(jù)段：一個(gè)數(shù)據(jù)段為8個(gè)字節(jié)；

· CRC校驗(yàn)段：CRC校驗(yàn)段由15位的校驗(yàn)碼和1個(gè)隱性位填充的CRC界定符組成，CRC校驗(yàn)范圍為幀起始、仲裁段、控制段和數(shù)據(jù)段；

· ACK段：ACK段由ACK碼和一個(gè)隱性位ACK界定符組成，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK段發(fā)送兩個(gè)隱性位，接收節(jié)點(diǎn)在收到的報(bào)文ACK前面的幀格式?jīng)]有錯(cuò)誤時(shí)，他將發(fā)出ACK碼為顯性位的報(bào)文。

· 幀結(jié)束段：由7個(gè)連續(xù)的隱性位組成。

? 遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀幀格式跟數(shù)據(jù)幀類似，也分為標(biāo)準(zhǔn)幀跟擴(kuò)展幀，但是遠(yuǎn)程幀屬于被請(qǐng)求發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文，而數(shù)據(jù)幀是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報(bào)文。如圖 2，遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)幀。

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀的結(jié)構(gòu)圖

參照數(shù)據(jù)幀可了解遠(yuǎn)程幀的結(jié)構(gòu)，但是兩者之間也有不同：

· SRR段和RTR段：數(shù)據(jù)幀是顯性電平，遠(yuǎn)程幀是隱性電平；

· 節(jié)點(diǎn)性質(zhì)：數(shù)據(jù)幀是發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文格式，遠(yuǎn)程幀是被請(qǐng)求發(fā)送的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文格式；

· CRC校驗(yàn)范圍：數(shù)據(jù)幀是幀起始、仲裁段、控制段和數(shù)據(jù)段，而遠(yuǎn)程幀則是幀起始、仲裁段和控制段。

了解了數(shù)據(jù)幀跟遠(yuǎn)程幀的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式后，有些人可能會(huì)問了，我有時(shí)看到的報(bào)文為什么跟你的標(biāo)準(zhǔn)格式的位數(shù)不一樣呢？

? 位填充

CAN-bus屬于異步串行通信，這種通信方式?jīng)]有時(shí)鐘線，所以各個(gè)收發(fā)器的時(shí)鐘不可能完全一致，時(shí)鐘不一致就會(huì)造成偏差。所以為了解決這個(gè)問題，CAN總線采用同步的方式來校準(zhǔn)時(shí)鐘。CAN-bus規(guī)定信號(hào)的跳變沿為同步信號(hào)，只要信號(hào)發(fā)生變化，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘就被同步一次。CAN-bus還規(guī)定同步的最大周期為5個(gè)位。

但是問題來了，要是出現(xiàn)連續(xù)性的5個(gè)位甚至更長時(shí)間沒有邊沿跳變（例如數(shù)據(jù)段全為0x56），那該如何解決呢？CAN-bus對(duì)這種情況又進(jìn)行了規(guī)范，如果傳輸?shù)奈恍盘?hào)連續(xù)5個(gè)位是相同的，就要插入一個(gè)電平相反的位，這個(gè)就是CAN-bus的“位填充”規(guī)則。如圖 4。

圖 4 位填充規(guī)則

? 0x00和0x55

由于位填充規(guī)則的存在，所以就存在即使兩個(gè)幀都是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，但發(fā)送不同ID或者數(shù)據(jù)段的時(shí)候報(bào)文時(shí)間會(huì)不同，圖5為1M波特率下ID跟數(shù)據(jù)都為0x00的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀報(bào)文。原本108個(gè)位的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的真實(shí)的報(bào)文時(shí)間為123us。

圖 5 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀0x00報(bào)文

而0x55的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式則如圖 6：ID為555H，數(shù)據(jù)段為55H，報(bào)文沒有出現(xiàn)連續(xù)的相同位，所以填充位最少，8位的數(shù)據(jù)段位時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的8us，全報(bào)文時(shí)間為108us。

圖 6 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀0x55報(bào)文

下表給出了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀、標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀、擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀四種幀類型在發(fā)送不同ID和數(shù)據(jù)時(shí)位時(shí)間的差別。

表 2 不同ID和數(shù)據(jù)位填充位數(shù)不一樣

通過CAN-Scope總線分析儀的報(bào)文接收和示波器，可以將每一幀報(bào)文跟波形做一一對(duì)應(yīng)，快速分析總線上的報(bào)文時(shí)間和波形情況，實(shí)現(xiàn)CAN總線的快速故障定位和干擾排除。