CAN总线学习笔记（2）- CAN协议数据帧与遥控帧

Myth丶恋晨 2023-01-06 12:56 364阅读 0赞

本文转载自：[https://blog.csdn.net/weixin\_40528417/article/details/79534483][https_blog.csdn.net_weixin_40528417_article_details_79534483]

依照瑞萨公司的[《CAN入门书》][CAN]的组织思路来学习CAN通信的相关知识，并结合网上相关资料以及学习过程中的领悟整理成笔记。好记性不如烂笔头，加油！

# **1 CAN 协议中的帧** #

在了解CAN总线的通信机制之前，首先需要了解CAN协议中五种类型的帧结构：

*  数据帧
 *  遥控帧
 *  错误帧
 *  过载帧
 *  帧间隔

在讲述五种帧结构的过程中，穿插讲述CAN总线的通信机制。

# **2 数据帧与遥控帧** #

在CAN协议中，数据帧和遥控帧有着诸多相同之处，所以，在这里，我们将数据帧和遥控帧放在一起来讲。  
顾名思义，所谓数据帧，就是包含了我们要传输的**数据**的帧，其作用当然也就是承载发送节点要传递给接收节点的数据。  
而遥控帧的作用可以描述为：请求其它节点发出与本遥控帧具有相同ID号的数据帧。  
比如：在某一个时刻，节点Node\_A向总线发送了一个ID号为ID\_2的遥控帧，那么就意味着Node\_A请求总线上的其他节点发送ID号为ID\_2的数据帧。  
节点Node\_B能够发出ID号为ID\_2的数据帧，那么Node\_B就会在收到Node\_A发出的遥控帧之后，立刻向总线上发送ID号为ID\_2的数据帧。

***数据帧*** 的帧结构如下图所示，包含七个段：**帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束**。  
![数据帧][70]  
***遥控帧*** 相比于数据帧，从帧结构上来看，只是**少了数据段**，包含六个段：**帧起始、仲裁段、控制段、CRC段、ACK段、帧结束**。  
![遥控帧][70 1]  
数据帧和遥控帧都分为**标准帧（CAN2.0A）**和**扩展帧（CAN2.0B）**两种结构。  
遥控帧相比于数据帧除了**缺少数据段**之外，**遥控帧的RTR位恒为隐性1，数据帧的RTR位恒为显性0**。

## **2.1 帧起始** ##

帧的最开始的一位是**帧起始**，也叫SOF（Start Of Frame），**SOF恒为显性位**，即逻辑 0 。  
帧起始表示CAN\_H 和 CAN\_L上有了电位差，也就是说，一旦总线上有了SOF就表示总线上开始有报文了。

## **2.2 仲裁段** ##

**仲裁段是用来判定一帧报文优先级的依据，仲裁段中的ID号也是实现报文过滤机制的基础**。仲裁段由以下几个部分组成，  
数据帧仲裁段：  
![仲裁段][70 2]  
遥控帧仲裁段：  
![遥控帧仲裁段][70 3]  
可以看到相比于数据帧仲裁段RTR位恒为显性0，遥控帧仲裁段的RTR位恒为隐性1。

### **2.2.1仲裁过程** ###

在CAN总线通信中，有一种**回读机制**：指的是节点在向总线上发送报文的过程中，同时也对总线上的二进制位进行“回读”。通过这种机制，节点就可以判断出**本节点发出的二进制位**与**总线上当前的二进制位**是否一致。

还有一种叫做**线与机制**：指的是在总线上，**显性位能够覆盖隐性位**。  
举个例子：在某一个时刻，节点Node\_A向总线发送了一个显性位0，Node\_B向总线发送了一个隐性位1，那么在该时刻，总线上的电平为显性0。

下面将以**标准数据帧**的一个例子来分析CAN总线的**非破坏性逐位仲裁机制**。

一条CAN总线上有Node\_A 和 Node\_B两个节点，在**总线空闲**时，总线上为**隐性电平**，就在这个时候Node\_A 和 Node\_B 这两个节点同时向总线上发送数据，如下图：  
![仲裁方式][70 4]  
从图中可以看出，在Node\_A 和 Node\_B 传输数据前，总线处于空闲状态，为隐性电平1，这也就意味着，此时总线上的任意节点都可以向总线发送数据。  
在某一时刻，Node\_A 和Node\_B两个节点同时向总线上发送数据。按照**线与机制**，总线上的电位为：

在Node\_A和Node\_B两个节点向总线发送数据时，他们同时回读总线上的电平。从图中我们可以看到，Node\_A 和Node\_B的ID10 、ID9、ID8电位相同，因此这两个节点从总线上听到的电位与他们自己发出的电位也相同，这个时候还没有分出胜负。  
当Node\_B回读总线上的 ID7 这一位时，发现总线上的电平跟它自己发送到总线上的不一样，此时，Node\_B知道自己在争夺总线的仲裁中失败了，那么它主动地转换为接收状态，不再发出信息。  
于是在此之后，总线上的电平和Node\_A发出的电平一致，也就是说，Node\_A占据了总线的发送权。  
通过上面的分析我们可以看到，在整个仲裁过程中：

*  在Node\_A获取总线的发送权之后，Node\_A接着发送自己的Msg\_A，因此在竞争总线的过程中不会对Msg\_A的传输造成延时；
 *  在两个节点竞争总线的过程中，不会破坏Msg\_A;

正是由于上面的两点，才称之为**非破坏性仲裁机制**。

> Tips: 通过上面仲裁过程的分析，我们可以解释CAN总线通信的三个特点：  
> 1）多主控制方式：只要总线空闲，总线上的任意节点都可以向总线上发送数据，直到节点在仲裁中一个个失败，最后只留下一个节点获得总线的发送权。  
> 2）非破坏性仲裁机制：仲裁段逐位总裁，依靠**回读机制、线与机制**得以实现。  
> 3）半双工通信：所谓半双工通信，指的是节点不能在自己发送报文的时候，同时接收其他节点发送来的报文。这是显然的，一个节点正在发送报文时，已经占据了总线的发送权，其他节点肯定不能向总线上发送报文。

看一个CAN报文发送的实例，CAN总线上有四个节点：Node\_A、Node\_B、Node\_C、Node\_D。发送的报文的ID号分别为5、7、3、6.  
![CAN-Msg发送实例][CAN-Msg]

### **2.2.2 仲裁段中的RTR，SRR和IDE位** ###

通过上面标准数据帧的仲裁过程分析，我们已经理解了CAN总线的仲裁机制。但同时也注意到仲裁段除了ID号之外，还有其他的位。

**1）RTR位：**

Tranmission Request Bit （远程发送请求位）。**在数据帧中，RTR位恒为显性位0，在遥控帧中，恒为隐性1**。

> Tips: 这么做的原因是保证数据帧优先级高于遥控帧。比如：在某一时刻t，节点Node\_A发出了ID号为ID\_2遥控帧报文来请求总线上的其它节点发出ID号为ID\_2的数据帧报文。但是就在同一时刻t，节点Node\_B发出了ID号为ID\_2的数据帧报文。这个时候怎么办呢，显然依靠ID号不能仲裁出这两帧报文（一个遥控帧，一个数据帧，ID号相同）谁能占据总线的发送权，这种情况下，RTR位就起作用了，由于RTR在数据帧中恒为显性0，在遥控帧中恒为隐性1，所以在ID号相同的情况下，一定是数据帧仲裁获胜。这就解释了 **RTR位的作用：在ID号相同的情况下，保证数据帧的优先级高于遥控帧。**

**2）SRR位**

Substitutes for Remote Requests Bit（替代远程请求位），**在扩展帧（数据帧或遥控帧）中，SRR恒为隐性位1**，并且可以发现，扩展帧的隐性SRR位正好对应标准帧的显性RTR位，这就解释了 **SRR位的作用：在前11位ID号相同的情况下，标准数据帧的优先级高于扩展数据帧**；  
![仲裁段与控制段][70 5]

**3）IDE位**

全称：Identifier Extension Bit（标识符扩展位）。**在扩展帧中恒为隐性1，在标准帧中，IDE位于控制段，且恒为显性0**。且扩展帧IDE位和标准帧IDE位位置对应，这就保证了： **在前11位ID号相同的情况下，标准遥控帧的优先级一定高于扩展遥控帧**。  
![仲裁段与控制段][70 6]

**总结：**  
在ID号前11位相同的情况下：

*  RTR：保证数据帧优先级高于遥控帧；
 *  SRR ：保证标准数据帧的优先级高于扩展数据帧。
 *  IDE ：保证标准遥控帧的优先级高于扩展遥控帧。

### **2.2.3 报文过滤** ###

在CAN总线中**没有地址**的概念，CAN总线是通过**报文ID**来实现收发数据的。CAN节点上都会有一个**验收滤波ID表**，其位于CAN节点的验收滤波器中，如果总线上的报文的ID号在某个节点的验收滤波ID表中，那么这一帧报文就能通过该节点验收滤波器的验收，该节点就会接收这一帧报文。  
比如：Node\_A发送了一帧ID号为ID\_1的报文Msg\_1，Node\_B的验收滤波ID表中恰好有ID\_1，于是乎Msg\_1就会被Node\_B接收。

> Tips: 报文过滤机制体现了CAN通信的两条特点：  
> 1）一对一、组播和广播  
> 2）系统的柔性：正是因为CAN总线上收发报文是基于报文ID实现的，所以总线上添加节点时不会对总线上已有的节点造成影响。

## **2.3 控制段** ##

数据帧和遥控帧的控制段结构相同：  
![空指针][70 7]

*  标准帧中IDE位对应扩展帧中的IDE位，保证在前11位ID号相同的情况下，标准帧的优先级一定高于扩展帧；
 *  然后是保留位r0和r1（扩展帧），保留位r0和r1必须以显性电平发送，但是接受方可以接受显性、隐性及其任意组合的电平；
 *  最后是4个字节的**DLC**（DLC3、DLC2、DLC1、DLC0）代表数据长度，指示了**数据段中的字节数**。对于没有数据段的遥控帧，DLC表示该遥控帧对应的数据帧的数据段的字节数。

## **2.4 数据段** ##

数据段可以包含0~8个字节的数据，从MSB（最高位）开始输出。

## **2.5 CRC段** ##

CRC段包含CRC校验序列和CRC界定符。  
![CRC段][CRC]

**CRC校验序列**是根据多项式生成的CRC值，**其计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段和数据段。**  
**CRC界定符恒为隐性1**。

## **2.6 ACK段** ##

ACK段包含**ACK槽**和**ACK界定符**两个位。  
![ACK段][ACK]

*  
 *  **发送节点**在ACK段发送**两个隐性位**，即发送方发出的报文中ACK槽为隐性1；
 *  **接收节点**在接收到正确的报文之后会在ACK槽发送显性位0，通知发送节点正常接收结束。所谓接收到正确的报文指的是接收到的报文没有填充错误、格式错误、CRC错误。

> Tips: 我们以标准数据帧为例来分析**ACK段的工作方式**：如图所示，Node\_A为发送节点，Node\_B为接收节点。Node\_A在ACK段发送两个隐性位1。Node\_B正确接收到这一报文后，在ACK段的ACK槽中填充了一个显性位0。注意，这个时候**Node\_A回读到的总线上的额电平为显性0**，于是这个时候，Node\_A就知道自己发出去的报文至少有一个节点正确接收了。  
> ![ACK段工作方式][ACK 1]

## **2.7 帧结束** ##

帧结束段表示该帧报文的结束，由7个隐性位构成。

[https_blog.csdn.net_weixin_40528417_article_details_79534483]: https://blog.csdn.net/weixin_40528417/article/details/79534483
[CAN]: https://wenku.baidu.com/view/7701528a6529647d2728520f.html
[70]: /images/20221119/3aa0729eebed4e74bfdceece06666b0c.png
[70 1]: https://img-blog.csdn.net/20180328110414606?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 2]: https://img-blog.csdn.net/20180327191256258?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 3]: https://img-blog.csdn.net/2018032813063129?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
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[CAN-Msg]: https://img-blog.csdn.net/20180331155607856?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
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[70 7]: https://img-blog.csdn.net/20180328191119465?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[CRC]: https://img-blog.csdn.net/20180328192052979?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[ACK]: https://img-blog.csdn.net/20180328194331895?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDUyODQxNw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
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