CAN 总线之六 BOSCH CAN 比特位填充（编码规则）、归零编码(RZ)和不归零编码(NRZ)

r囧r小猫 2022-01-21 02:49 1682阅读 0赞

# 帧格式 #

在 CAN 总线中，为了确保足够的转换以保持同步，在相同极性的 5 个连续位之后使用位填充。下面以 标准格式来进行说明，先看下面标准格式的帧的图示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pDU2hvdUNTRE4_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
在某些文档中，将 CAN 帧分为以下部分：

*  **Header ( H )：** 由 Start of Frame (SOF) 、 Arbitration Field、 Control Field 组成。
 *  **Data field ( D )：** 即数据域
 *  **CRC field ( R )：** 即 CRC 域的 CRC 部分。其内容由 CAN 控制器在运行时计算，因此不能由应用程序直接修改。
 *  **Unstuffed trailer ( U )：** i由 CRC delimiter、the ACK slot、the ACK delimiter、the End of Frame (EOF) field. 组成。

# 位填充 #

BOSCH CAN2.0 规范规定，DATA FRAME 或 REMOTE FRAME 中的位字段 `START OF FRAME，ARBITRATION FIELD，CONTROL FIELD，DATA FIELD 和 CRC SEQUENCE` 都需要通过**比特填充的方法编码**。 每当发送器在要发送的比特流中检测到相同值的**五个连续比特**时，则自动在实际发送的比特流中**插入一个相反的比特位**，这种方法被称为**位填充**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pDU2hvdUNTRE4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
  DATA FRAME 或 REMOTE FRAME 的剩余位字段 `CRC DELIMITER，ACK FIELD 和 END OF FRAME` 是固定的格式，不需要填充。 ERROR FRAME 和 OVERLOAD FRAME 也是固定格式，不通过位填充方法编码。  
  消息中的比特流根据不归零（Non-Return-to-Zero，NRZ）法进行编码。这意味着在总比特时间内，生成的比特电平要么是“显性”要么是“隐性”。下图为一个填充示意图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pDU2hvdUNTRE4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
  在使用比特填充的字段中，相同极性的六个连续比特（111111或000000）被认为是错误。 当检测到错误时，节点可以发送主动错误标志。 主动错误标志由 6 个连续的比特位的显性电平组成，这违反了位填充规则。  
  位填充方案的一个副作用是，接收到的消息中的少量位错误可能会破坏解填充过程（接收器需要去除填充位），从而导致大量错误在解填充消息中传播。这降低了 CRC 针对原始错误提供的保护级别。该协议的不足之处已经在 CAN FD 帧中得到了解决，具体方法是 通过使用固定填充比特和记录插入的填充比特数的计数器的组合。

# 帧长度 #

在位填充之后，CAN 帧的大小将增大。填充位本身可以是五个连续相同位中的第一个，因此在最坏的情况下，每四个原始位有一个填充位。帧大小可以使用如下公式表示：  
![在这里插入图片描述][2019061020113411.png]

*  `s`：由控制域中 DLC 定义的数据域的长度
 *  `8s`：数据域的 比特位 数
 *  `47`：从 SOF 开始到帧间隔（3个比特位的隐性电平），除去数据域部分（`8s` 单独表示）
 *  `8s + 47`：表示填充之前帧的大小。
 *  `34`：根据规范的要求，可能受到位填充的位的数量。去除了不可填充的部分和某些固定位。在最坏情况下，原数据除了第一个 4 位后，在每个 4 位后增加 1 位（所以分子减去 1）

# 归零编码(RZ)和不归零编码(NRZ) #

无论是归零编码（return-to-zero，RZ）还是不归零编码（non-return to zero，NRZ），信号都是在正 (+V) 和负 (- V) 电压之间交替。逻辑1 表示正电压下的信号，逻辑 0 表示负电压下的信号。然而，在 NRZ 方法中，从逻辑 0 到逻辑 1 的转换（反之亦然），直接跨越零电压电平，而在 RZ 方法中，转换暂时停留在零电压电平上。如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pDU2hvdUNTRE4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
  在光通信中，术语 RZ 和 NRZ 使用与以上含义不同，因为没有负光。NRZ 意味着逻辑值 1 (光脉冲)的一个位在位周期的边界上改变它的值(从光到无光或反之亦然)。相反，RZ 表示光脉冲比比特周期窄。在光信号中，逻辑 1 导通大约三分之一的位周期并且关闭大约三分之二。 逻辑 0 在比特周期的三分之二时间内保持关闭状态。

## 双极信号和单极信号 ##

**双极信号（bipolar signal）** 是一个三电压级的信号，通常在正电压和负电压之间摇摆。双极信号可以是 RZ 或 NRZ。在数字双极信号中，正电压和负电压交替出现。这导致输电线路上的零直流分量。  
  **单极信号（unipolar signal）** 是一种两级信号，通常在零级和正级之间波动。单极信号被认为是一种开关信号，可以应用于电信号或光学信号。在电力传输中，假设统计上有相同数量的1和0，那么直流分量可能达到峰值正电压的一半。对于长距离传输，这种直流分量是不可取的。在光学传输中，单极信号也称为开关键控。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pDU2hvdUNTRE4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
  还有一类是多级信号。在这种情况下，可以使用几个电压电平(例如，8)，每个电平对应8个代码中的一个。尽管多级信号由于其固有的编码压缩特性而具有很大的吸引力，但它们并不用于通信网络的传输。在光传输中，不存在多电平信号。

## 48/58, 88/108 CODING ##

4B/5B 代码将 4 位转换成 16 个预定的 5 位代码之一。 因此，即使原始的 4 位代码是 0000，它也被转换为 5 位非全零代码。 此方法避免在任何代码中都包含所有零。它也可以设计成连续模式避免某些字符串。 4B/5B 意味着转换后的初始 1 Gb/s 比特率由于增加了比特而增加到 1.25 Gb/s。 也就是说，有 25％ 的开销带宽损失。 类似地，8B/10B 代码将 8 位转换成 256 个预定的 10 位代码之一。 带宽损失也是25％。

# 参考 #

1.  [维基百科—— CAN BUS][CAN BUS]
2.  BOSCH CAN2.0 规范 Part A 部分
3.  Preventing bit stuffing in CAN - Gianluca Cena, Ivan Cibrario Bertolotti, Tingting Hu, and Adriano Valenzano, CNR-IEIIT
4.  Using bit-stuffing distributions in CAN analysis - Thomas Nolte, Student member, IEEE, Hans Hansson, Member, IEEE, Christer Norström, Member, IEEE, Sasikumar Punnekkat, Member, IEEE

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[CAN BUS]: https://en.wikipedia.org/wiki/CAN_bus