CAN學習手記一

九、CAN的報文格式：

（關于這部分內容，對于我下一步要進行編程實驗控制CAN總線是很重要的一個知識點。很郁悶的是搜了老半天只看見有文字敘述這部分內容的，不僅說得不系統(tǒng)完整，而且遠沒有貼圖說明來的具體直觀。不過還好，搜到了一份E文版的CAN總線資料，再把這個資料詳細看了下，再做了整理，還是用圖來說明CAN傳輸?shù)膱笪母袷奖容^容易理解。老外寫的東西確實比國內的好，這個不是我吹出來的，有興趣下了看看就知道了，見附件下載。）

CAN通信是一種點對多點的傳輸協(xié)議，不是基于地址的傳統(tǒng)的點對點傳輸協(xié)議。當一個點傳輸數(shù)據(jù)時，總線上的其它點都可以為接受方，它們可以通過ID來作出對總線上傳送數(shù)據(jù)的處理（接收或者丟棄）。并且當數(shù)據(jù)被正確接收到以后，接收方便會作出應答響應。CAN協(xié)議還有一個很實用的功能，就是總線上的任一個節(jié)點可以請求其它節(jié)點向其發(fā)送數(shù)據(jù)，這被稱作遠程發(fā)送請求（RTR）。除此以外，CAN協(xié)議還有一個優(yōu)點，當總線新加入一個節(jié)點進行通信時無需更改原有的程序，新節(jié)點只要通過ID就可以知道是接收還是丟棄數(shù)據(jù)。

CAN協(xié)議定義了四種不同的幀。

1、數(shù)據(jù)幀，這個幀被用于當一個節(jié)點把信息傳送給系統(tǒng)的任何其它節(jié)點。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結束。

2、遠程幀，此幀是基于數(shù)據(jù)幀格式，只要把RTR位設置成遠程發(fā)送請求（Remote Transmit Request），并且沒有數(shù)據(jù)場。總線上發(fā)送此幀后，表示請求接收與該幀ID相符的數(shù)據(jù)幀。遠程幀由6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場、幀結束。

3、錯誤幀，任何單元監(jiān)測到錯誤時就發(fā)送錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加；第二個場是錯誤界定符。

4、超載幀，節(jié)點需要增加時間來處理接收到的數(shù)據(jù)時便發(fā)送過載幀。超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。

圖1 幀起始位

CAN總線傳輸?shù)钠鹗紟鐖D1。幀起始標志數(shù)據(jù)幀或遠程幀的起始，由一個單獨的“顯性”位（0）組成。由控制芯片完成。

圖2 標準數(shù)據(jù)幀格式

圖3 擴展數(shù)據(jù)幀格式

由圖2和圖3可以看到數(shù)據(jù)幀的兩種不同格式，兩種格式的差別只是它們的ID位數(shù)不同。

1、幀起始。

2、仲裁場，仲裁場包括標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）。

對于CAN2.0A標準，標識符的長度為11位。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯性位，而在遠程幀必須為隱性位。

對于CAN2.0，標準格式和擴展格式的仲裁場不同。在標準格式中，仲裁場由11位標識符和遠程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由29位標識符和替代遠程請求位（SRR）、標志位（IDE）和遠程發(fā)送請求位組成。

仲裁場的作用之一是說明數(shù)據(jù)幀或遠程幀發(fā)送目的地；之二是指出是數(shù)據(jù)幀還是遠程幀。

3、控制場，控制場由6個位組成，說明數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)的長度。標準幀的最高位是IDE位，擴展幀的最高位是保留位RB1，它們的次高位都是保留位RB0。低四位是DLC（Data Length Code）位，標識傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（0-8字節(jié)）。

4、數(shù)據(jù)場，數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0-8個字節(jié)。

5、CRC場，CRC場包括CRC序列，這部分由SJA1000控制芯片完成。

6、應答場，應答場長度為兩個位，包括應答間隙和應答界定符。由SJA1000控制芯片自動完成。

7、幀結束，每一個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個標志序列由7個“隱性”位組成。這部分由SJA1000控制芯片自動完成。

仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場由軟件編程配置SJA1000完成；幀起始、CRC場、應答場、幀結束由CAN總線控制芯片SJA1000自動完成。

十、CAN的數(shù)據(jù)錯誤檢測：

不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。

1、循環(huán)冗余檢查(CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

2、幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

3、應答錯誤

如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

4、總線檢測

有時,CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

5、位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

6、CAN可靠性

為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話,這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。

殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內,按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據(jù)錯誤進行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如,CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統(tǒng)按每年365 天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統(tǒng)計平均,每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。