標準CAN幀介紹
- 標準CAN（Controller Area Network）結構
- 1.幀起始（SOF-Start Of Frame）
- 2.仲裁段（Arbitration Field）
- 3.控制段（Control Field）
- 4.數據段（Data Field）
- 5.CRC段（CRC Field）
- 6.應答段（ACK Field）
- 7.結束段（EOF-End Of Frame）
- 8.幀間間隔（IFS-Inter Frame Space）
- 總結與特點
- 具體例子
- 場景設定
- 步驟1：組幀前的準備
- 步驟2：構建標準數據幀
- 步驟3：總線上的傳輸與仲裁過程
- 步驟4：接收與應答過程
- 步驟5數據處理
標準CAN（Controller Area Network）結構
CAN總線通信的核心就是節點間通過發送和接收符合特定格式的“幀”來實現。標準CAN有兩種主要的幀格式：標準幀（11位標識符）和擴展幀（29位標識符）。這里我們首先聚焦于最基礎的標準數據幀。
一個標準CAN數據幀由以下7個不同的位字段（Bit Fields）組成，如下圖所示：
1.幀起始（SOF-Start Of Frame）
- 長度：1 bit
- 值：顯性位（Dominant Bit，邏輯0）
- 作用：標志著數據幀的開始。它同步所有總線上的節點，表示一個新的報文即將開始傳輸。在總線空閑時，第一個發送顯性位的節點獲得總線訪問權。
2.仲裁段（Arbitration Field）
這個字段決定了報文的優先級，并在多個節點同時發送時解決沖突（仲裁）。
它由兩部分組成：
- 標識符（Identifier）：
– 長度：11 bits
– 作用：標識報文的含義和優先級。ID值越小，優先級越高（因為顯性位0優先）。例如，ID為0x000的報文優先級最高，ID為0x7FF的優先級最低。接收節點根據ID來決定是否接收該報文。 - 遠程傳輸請求位（RTR-Remote Transmission Request）：
– 長度：1 bit
– 作用：區分是 數據幀 還是 遠程幀。
— 數據幀（Data Frame）：RTR = 顯性位（0）。表示該幀帶有數據。
— 遠程幀（Remote Frame）：RTR = 隱性位（1）。用于向其他節點請求發送具有相同ID的數據幀。遠程幀沒有數據段。
3.控制段（Control Field）
這個字段提供了關于數據長度的信息。
它由三部分組成：
-
標識符擴展位（IDE-Identifier Extension）
– 長度：1 bit
– 作用：區分標準幀和擴展幀。
— 標準幀：IDE = 顯性位（0）。
— 擴展幀：IDE = 隱性位（1）。（擴展幀的仲裁段結構不同） -
保留位（r0）：
– 長度：1 bit
– 作用：保留位，必須發送顯性位（0），但接收器可以接收顯性或隱性位。 -
數據長度碼（DLC-Data Length Code）：
– 長度：4 bit
– 作用：指示數據段中包含的字節數。取值范圍從0到8。DLC值大于8的情況在CAN FD中定義，經典CAN中無效。
4.數據段（Data Field）
- 長度：0-8 bytes（由DLC決定）
- 作用：包含實際要傳輸的數據內容。這是報文的有效載荷。CAN協議允許靈活的數據長度，非常適合傳輸控制命令、傳感器讀數等短小精悍的信息。
5.CRC段（CRC Field）
這個字段用于檢測傳輸錯誤。
它由兩部分組成：
-
CRC序列（CRC Sequence）
– 長度：15 bits
– 作用：循環冗余校驗值。由發送器根據幀起始、仲裁段、控制段和數據段的內容計算得出。 -
CRC界定符（CRC Dilimiter）
– 長度：1 bit
– 值：隱性位（1）
– 作用：作為一個固定的分隔符，標志著CRC序列的結束。
6.應答段（ACK Field）
這個字段用于接收節點確認是否接收到報文。
它由兩部分組成：
-
應答間隙（ACK Slot）：
– 長度：1 bit
– 發送器行為：發送一個隱性位（1）。
– 接收器行為：任何正確接收到報文（通過CRC校驗）的接收節點，都會在ACK Slot時間段內發送一個**顯性位（0）**來覆蓋它。 -
應答界定符（ACK Dilimiter）：
– 長度：1 bit
– 值：隱性位（1）
– 作用：標志著應答段的結束。它必須為隱性位。
ACK段的工作方式：發送器發送隱性位（1），如果至少有一個接收器正確接收了幀，它就會用顯性位（0）覆蓋這個位。因此，發送器如果在ACK Slot讀到隱性位（1），就知道沒有節點成功接收，會觸發錯誤并重發。
7.結束段（EOF-End Of Frame）
– 長度：7 bits
– 值：全部為隱性位（1）
– 作用：明確標志該幀的傳輸結束。
8.幀間間隔（IFS-Inter Frame Space）
雖然嚴格來說不屬于幀的一部分，但它是幀與幀之間必需的間隔。
- 長度：3 bits（或更多，具體由控制器實現決定）
- 作用：在幀結束和下一幀開始（或總線空閑）之間提供一個最小間隔，讓控制器內部有足夠的時間處理剛接收到的幀。
總結與特點
- 非破壞性仲裁：基于標識符（ID）的優先級仲裁機制。優先級高的報文繼續發送，優先級低的自動退出發送并在總線空閑時重試，沒有任何數據損失或丟失。
- 高可靠性：通過CRC校驗、應答位（ACK）和強大的錯誤檢測與信令機制，保證了數據傳輸的極高可靠性。
- 廣播與過濾：報文被廣播到所有節點，每個節點通過標識符過濾來決定是否接收和處理該報文。
- 短小高效：數據長度最高為8字節，開銷小，非常適合高實時性要求的控制系統。
具體例子
下面，我將通過一個具體的例子來詳細說明標準CAN幀的每一部分。
場景設定
假設我們有一個簡單的汽車網絡，里面有兩個節點：
1.發動機控制單元（ECU_Engine）：負責報告發動機轉速。
2.儀表盤單元（ECU_Dashboard）：負責接收轉速并顯示在轉速表上。
ECU_Engine需要沒秒發送100次發動機轉速數據。我們假設當前發動機轉速為 3000 RPM。
步驟1：組幀前的準備
1.報文標識符（ID）：我們需要為轉速報文分配一個唯一的ID。假設我們分配 ID = 0x123（十六進制）。這個ID決定了報文的優先級。0x123是一個中等偏高的優先級（因為數值較小）。
2.數據：轉速數據為3000。我們需要用2個字節（16位）來表示它。假設我們使用大端模式（Big-endian）（即高位字節在前）：
- 3000的十六進制是
0x0BB8。 - 因此，數據段的兩個字節為：
– Byte 0 =0x0B（高字節）
– Byte 1 =0xB8（低字節）
3.數據長度：我們有2個字節的數據，所以數據長度碼（DLC）為2。
步驟2：構建標準數據幀
現在，我們來逐字段構建這個轉速數據幀。
| 字段 | 值（二進制） | 值（十六進制） | 說明 |
|---|---|---|---|
| 1.幀起始（SOF） | 0 | - | 一個顯性位（0），標志開始。 |
| 2.仲裁段 | |||
| 標識符（11位） | 001 0010 0011 | 0x123 | 這是報文的ID。注意最高7位是0x09（0010010），最低4位是0x3（0011），合起來是0x123。 |
| RTR位 | 0 | - | 顯性位（0），表面這是一個數據幀 |
| 3.控制段 | |||
| IDE位 | 0 | - | 顯性位（0），表面這是標準幀（11位ID）。 |
| 保留位r0 | 0 | - | 必須發送顯性位（0）。 |
| DLC（4位） | 0100 | 0x2 | 數據長度為 2個字節。 |
| 4.數據段（2字節） | |||
| 數據字節0 | 0000 1011 | 0x0B | 轉速數據的高字節（3000的高位部分）。 |
| 數據字節1 | 1011 1000 | 0xB8 | 轉速數據的低字節（3000的低位部分）。 |
| 5.CRC段 | |||
| CRC序列（15位） | CRC算法（計算得出） | e.g., 0x7FAC | 發送器根據前面所有位計算出的校驗值。假設這里是 0x7FAC |
| CRC界定符 | 1 | - | 隱性位（1），固定格式。 |
| 6.應答段（ACK） | |||
| ACK間隙 | 1 →\to→ 0 | - | 發送器發送隱性位（1），但被接收器用顯性位（0）覆蓋。 |
| ACK界定符 | 1 | - | 隱性位（1），固定格式。 |
| 7.結束段（EOF） | 1111111 | - | 7個連續的隱性位（1），標志幀結束。 |
| 8.幀間間隔（IFS） | - | - | 總線短暫空閑，為下一幀做準備。 |
步驟3：總線上的傳輸與仲裁過程
1.發送：ECU_Engine開始將上述比特流逐位放到CAN總線上，從SOF開始。
2.仲裁（假設此時有另一個節點要發送低優先級消息）：
-
在發送仲裁段（ID+RTR）時，ECU_Engine也在監聽總線。
-
它發送ID
0x123（00100100011）。 -
如果另一個節點同時發送一個ID為
0x124（00100100100）的報文，仲裁會發生：
– 前8位（00100100）兩者完全相同，總線狀態也一致，沒有勝負。
– 比較第9位：ECU_Engine發0，另一個節點發0，還是平手。
– 比較第10位：ECU_Engine發0，另一個節點發1。
– 顯性位（0）優先于隱性位（1）。因此，ECU_Engine贏得仲裁，繼續發送。
– 另一個節點檢測到它發送的是隱性位（1），但讀到的是顯性位（0），意識到自己優先級更低，立即退出發送模式轉為接收模式，等待下次重試。 -
這就是非破壞性仲裁：高優先級報文無延遲地繼續發送，低優先級報文自動退出，沒有任何數據損壞。
步驟4：接收與應答過程
1.接收：總線上所有節點（包括ECU_Dashboard）都接收這個幀。
2.CRC校驗：每個接收節點都用同樣的算法對接收到的數據（SOF，仲裁段，控制段，數據段）進行計算，得到一個CRC值。
3.發送應答（ACK）：
- 在ACK Slot時間段，發送器ECU_Engine會釋放總線，發送一個隱性位（1）。
- 所有正確接收到該幀（即CRC校驗通過）的節點（在這個例子中，ECU_Dashboard肯定會的），都會在ACK Slot時間段內**發送一個顯性位（0）**來覆蓋這個隱性位。
4.確認：
- 發送器ECU_Engine在ACK Slot讀總線。如果它讀到了顯性位（0），它就知道至少有一個節點成功接收了它的報文，于是認為發送成功。
- 如果它讀到的仍然是隱性位（1），就意味著沒有一個節點成功接收，這將出發錯誤計數器，ECU_Engine會稍后自動重發該報文。
步驟5數據處理
ECU_Dashboard成功接收幀后：
1.通過ID0x123識別出這是發動機轉速報文。
2.根據DLC2知道數據段有2個字節。
3.從數據段提出兩個字節0x0B和0xB8。
4.將它們組合成0x0BB8，轉換為十進制數字 3000 。
5.最后，驅動轉速表指針指向3000 RPM的位置。
