【转】CAN协议深度解析-简单易懂协议详解

比眉伴天荒 2022-11-13 06:24 383阅读 0赞

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CAN接口兼容规范2.0A和2.0B(主动)，位速率高达1兆位/秒。它可以接收和发送11位标识符的标准帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。  
扩展帧的仲裁域有29位，可以出现2^29中报文，且在数据链路上是有间隙的(对操作者透明)。  
标准帧的仲裁域是连续的11位，可以出现2^11种报文；  
控制帧中的DLC(数据长度)完全相同，但保留位不同，标准帧IDE、R0，扩展帧R1、R0，必须以显性电平发送(由数据链路层操作)，对程序员透明；  
其它的都一模一样，所以，其实**CAN标准帧和扩展帧只是在ID的长度上不一样**，扩展帧可以支持更多的CAN节点而已。  
注意：这里的帧ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级（帧ID值越小，优先级越高，最小是0x00000000）。

\-bus通信帧共分为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔五种类型。

**1.** **显形隐形电平**

CAN-bus发布了ISO11898和ISO11519两个通信标准，此两个标准中差分电平的特性不相同。

![269b5966c8bc705f88765d4082ddb7bc.png][]

显性电平：总线上只要有1个节点驱动为显性，则总线表现为显性位电平，逻辑解析为“0”。

隐形电平：只有总线上的各节点都不将总线驱动成显性电平，总线才表现为隐形位对应的电平，逻辑解析为“1”。

位填充：位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续 5 位时，则添加一个位的反型数据。

**2.** **数据帧**

数据帧结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）。

![3902b20435b7e19eee4c2c6d5910270a.png][]

**2.1帧起始、帧结束**

帧起始和帧结束用于界定一个数据帧，无论是标准数据帧或扩展数据帧都包含这两个段。

![0ae26dbb804d42b106b908bb2ab56c44.png][]

**2.2仲裁段**

CAN-bus是如何解决多个节点同时发送数据，即总线竞争问题？该问题由仲裁段给出答案。

CAN-bus并没有规定节点的优先级，但通过仲裁段帧ID规定了数据帧的优先级。根据CAN2.0标准版本不同，帧ID分为11位和29位两种。帧ID值越小，优先级越高。

![f0365add70d5a123153d9e21eb1ee260.png][]

**2.3 控制段**

控制段共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。

![724c2bde4544293b818d911db46d9ece.png][]

**2.4 数据段**

一个数据帧传输的数据量为0～8个字节,这种短帧结构使得CAN-bus实时性很高，非常适合汽车和工控应用场合。

![aa04b9e12fbd1480322618d82177cf55.png][]

与其他总线协议相比，CAN-bus的短帧结构具有以下优势：

优势1：数据量小，发送和接收时间短，实时性高。

优势2：数据量小，被干扰的概率小，抗干扰能力强。

**2.5 CRC段**

CAN-bus使用CRC校验进行数据检错，CRC校验值存放于CRC段。CRC校验段由15位CRC值和1位CRC界定符构成。

![0f9d442071b849b81f988338a4783a2b.png][]

//算法1
    U16 Can_FD_Analyzer::ComputeCrc15(std::vector<BitState> &bits, U32 num_bits)
    {
        //X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + X0.
        U16 crc_result = 0;
        for (U32 i = 0; i < num_bits; i++) {
            BitState next_bit = bits[i];
    
            //Exclusive or
            if ((crc_result & 0x4000) != 0) {
                next_bit = Invert(next_bit);    //if the msb of crc_result is zero, then next_bit is not inverted; otherwise, it is.
            }
            crc_result <<= 1;
    
            if (next_bit == mSettings->Recessive()) { //normally bit high.
                crc_result ^= 0x4599;
            }
        }
    
        return crc_result & 0x7FFF;
    }
    
    
    //算法2
    U16 Can_FD_Analyzer::MakeCRC15(std::vector<BitState> &bits, U32 num_bits)
    {
        //X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + X0.
        U16 CRC[15] = { 0 };
        for (U32 i = 0; i < num_bits; i++) {
            U32 DoInvert = (bits[i] == mSettings->Recessive()) ^ CRC[14]; //XOR required?
            CRC[14] = (CRC[13] ^ DoInvert); //14
            CRC[13] = CRC[12];
            CRC[12] = CRC[11];
            CRC[11] = CRC[10];
            CRC[10] = (CRC[9] ^ DoInvert); //10
            CRC[9] = CRC[8];
            CRC[8] = (CRC[7] ^ DoInvert); //8
            CRC[7] = (CRC[6] ^ DoInvert); //7
            CRC[6] = CRC[5];
            CRC[5] = CRC[4];
            CRC[4] = (CRC[3] ^ DoInvert); //4
            CRC[3] = (CRC[2] ^ DoInvert); //3
            CRC[2] = CRC[1];
            CRC[1] = CRC[0];
            CRC[0] = DoInvert;
        }
    
        U16 result = 0; // CRC Result
        for (U32 i = 0; i < 15; i++) {
            result = result | (CRC[i] << i);
        }
        return (U16)result;
    }

**2.6 ACK段**

当一个接收节点接收的帧起始到CRC段之间的内容没发生错误时，它将在ACK段发送一个显性电平。

![17798ae0d6262c4c62c4d6fd153bf778.png][]

**3.** **远程帧**

与数据帧相比，远程帧结构上无数据段，由6个段组成，同理分为标准格式和扩展格式，且RTR位为1（隐形电平）。

![0084163acc41f12236bd96b21a19443a.png][]

v 数据帧与远程帧的区别

![079978c52c39cad6826956a831f5a805.png][]

**4.** **错误帧**

**4.1 CAN-bus 错误类型**

尽管CAN-bus是可靠性很高的总线，但依然可能出现错误；CAN-bus的错误类型共有5种。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>序号</td> 
   <td>错误类型</td> 
   <td>详细</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>CRC错误</td> 
   <td>发送节点计算得到的CRC值与接收到的CRC值不同</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>格式错误</td> 
   <td>传输的数据帧格式与任何一种合法的帧格式不符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>应答错误</td> 
   <td>发送节点再ACK阶段没有接收到应答信号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>位发送错误</td> 
   <td>发送节点在发送时发送总线电平与发送电平不同</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td>位填充错误</td> 
   <td>通信线缆上传输信号违反“位填充”规则</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

当出现5种错误类型之一时，发送或接收节点将发送错误帧。错误帧的结构如下，其中错误标识分为主动错误标识和被动错误标识。

![3419248c6fab14d4d992117b7538a749.png][]

为防止自身由于某些原因导致无法正常接收的节点一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN-bus规定了节点的3种状态机器行为。

![a8a493b7c74521a37e9c10516e201f4a.png][]

**5.** **过载帧**

当某些接收节点没有做好接收下一帧数据的准备时，将发送过载帧以通知发送节点；过载帧由过载标志和过载帧界定符组成。过载帧结构如下：

![41aa33617f1cf98501d1ef096c18b110.png][]

由于存在多个节点同时过载且过载帧发送有时间差问题，可能出现过载标志叠加后超过6个位的现象。

![4b550004dd1230bdb5795236b981fad1.png][]

**6.** **帧间隔**

帧间隔用于将数据帧或远程帧和他们之前的帧分离开，但过载帧和错误帧前面不会插入帧间隔。

![0594be15b4aed0155a313cd21a3ffc51.png][]

![36b74d5246dc7bf54765b4be461ec47e.png][]

**7.** **CAN-bus整个链路层处理数据流程**

![adce2410befb4080ea87eeb4fd0bb02d.png][]

**8.波形实例**

本实例使用 [Kingst LA5016 usb 逻辑分析仪][Kingst LA5016 usb]检测CAN数据通讯。下图2是一个完整的数据包分析截图。从图中可以看到，LA5016的CAN解析模块，将协议数据分析为 ID（协议id号），RTR（远程帧/数据帧标识）, DLC（数据长度），Data（传输数据）， CRC， ACK/NAK 。

图1数据包的ID号为0x002， RTR：false（数据帧）， DLC:0x8（8个数据），Data：数据，CRC为0x3845（15位）， ACK：应答。

圆形白点：逻辑数据。

方形白点：填充位。

**协议解析参数设置：**

![26994a3e75cf168a7075a850f1f8f243.png][]

图1 CAN解析参数设置

![2b65a4e9824e4a797bdf94667c1ae3be.png][]

图2 CAN标准帧

![c3bac0166acc6bcf186bedd40e1072ce.png][]

图3 仲裁域

![52a967a44407413ee44ef955ba7e8377.png][]

图4 CRC域及ACK

另外，CAN解析参数显示的格式可以分为：二进制，十进制，十六进制，ASCII，及 ASCII&十六进制。同时可以将协议数据按包格式导出。

![bcea173d2249f4b3dc73370206a8cc98.png][]

![cc52f8febe6c4987ae057c142d0aba09.png][]

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[269b5966c8bc705f88765d4082ddb7bc.png]: /images/20221022/b67b960a87e349f9853dde22933e8a0c.png
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[0ae26dbb804d42b106b908bb2ab56c44.png]: /images/20221022/6bb13891d4f24a5086dd3afa94615d59.png
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