标准CAN帧介绍
- 标准CAN（Controller Area Network）结构
- 1.帧起始（SOF-Start Of Frame）
- 2.仲裁段（Arbitration Field）
- 3.控制段（Control Field）
- 4.数据段（Data Field）
- 5.CRC段（CRC Field）
- 6.应答段（ACK Field）
- 7.结束段（EOF-End Of Frame）
- 8.帧间间隔（IFS-Inter Frame Space）
- 总结与特点
- 具体例子
- 场景设定
- 步骤1：组帧前的准备
- 步骤2：构建标准数据帧
- 步骤3：总线上的传输与仲裁过程
- 步骤4：接收与应答过程
- 步骤5数据处理
标准CAN（Controller Area Network）结构
CAN总线通信的核心就是节点间通过发送和接收符合特定格式的“帧”来实现。标准CAN有两种主要的帧格式：标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符）。这里我们首先聚焦于最基础的标准数据帧。
一个标准CAN数据帧由以下7个不同的位字段（Bit Fields）组成，如下图所示：
1.帧起始（SOF-Start Of Frame）
- 长度：1 bit
- 值：显性位（Dominant Bit，逻辑0）
- 作用：标志着数据帧的开始。它同步所有总线上的节点，表示一个新的报文即将开始传输。在总线空闲时，第一个发送显性位的节点获得总线访问权。
2.仲裁段（Arbitration Field）
这个字段决定了报文的优先级，并在多个节点同时发送时解决冲突（仲裁）。
它由两部分组成：
- 标识符（Identifier）：
– 长度：11 bits
– 作用：标识报文的含义和优先级。ID值越小，优先级越高（因为显性位0优先）。例如，ID为0x000的报文优先级最高，ID为0x7FF的优先级最低。接收节点根据ID来决定是否接收该报文。 - 远程传输请求位（RTR-Remote Transmission Request）：
– 长度：1 bit
– 作用：区分是 数据帧 还是 远程帧。
— 数据帧（Data Frame）：RTR = 显性位（0）。表示该帧带有数据。
— 远程帧（Remote Frame）：RTR = 隐性位（1）。用于向其他节点请求发送具有相同ID的数据帧。远程帧没有数据段。
3.控制段（Control Field）
这个字段提供了关于数据长度的信息。
它由三部分组成：
-
标识符扩展位（IDE-Identifier Extension）
– 长度：1 bit
– 作用：区分标准帧和扩展帧。
— 标准帧：IDE = 显性位（0）。
— 扩展帧：IDE = 隐性位（1）。（扩展帧的仲裁段结构不同） -
保留位（r0）：
– 长度：1 bit
– 作用：保留位，必须发送显性位（0），但接收器可以接收显性或隐性位。 -
数据长度码（DLC-Data Length Code）：
– 长度：4 bit
– 作用：指示数据段中包含的字节数。取值范围从0到8。DLC值大于8的情况在CAN FD中定义，经典CAN中无效。
4.数据段（Data Field）
- 长度：0-8 bytes（由DLC决定）
- 作用：包含实际要传输的数据内容。这是报文的有效载荷。CAN协议允许灵活的数据长度，非常适合传输控制命令、传感器读数等短小精悍的信息。
5.CRC段（CRC Field）
这个字段用于检测传输错误。
它由两部分组成：
-
CRC序列（CRC Sequence）
– 长度：15 bits
– 作用：循环冗余校验值。由发送器根据帧起始、仲裁段、控制段和数据段的内容计算得出。 -
CRC界定符（CRC Dilimiter）
– 长度：1 bit
– 值：隐性位（1）
– 作用：作为一个固定的分隔符，标志着CRC序列的结束。
6.应答段（ACK Field）
这个字段用于接收节点确认是否接收到报文。
它由两部分组成：
-
应答间隙（ACK Slot）：
– 长度：1 bit
– 发送器行为：发送一个隐性位（1）。
– 接收器行为：任何正确接收到报文（通过CRC校验）的接收节点，都会在ACK Slot时间段内发送一个**显性位（0）**来覆盖它。 -
应答界定符（ACK Dilimiter）：
– 长度：1 bit
– 值：隐性位（1）
– 作用：标志着应答段的结束。它必须为隐性位。
ACK段的工作方式：发送器发送隐性位（1），如果至少有一个接收器正确接收了帧，它就会用显性位（0）覆盖这个位。因此，发送器如果在ACK Slot读到隐性位（1），就知道没有节点成功接收，会触发错误并重发。
7.结束段（EOF-End Of Frame）
– 长度：7 bits
– 值：全部为隐性位（1）
– 作用：明确标志该帧的传输结束。
8.帧间间隔（IFS-Inter Frame Space）
虽然严格来说不属于帧的一部分，但它是帧与帧之间必需的间隔。
- 长度：3 bits（或更多，具体由控制器实现决定）
- 作用：在帧结束和下一帧开始（或总线空闲）之间提供一个最小间隔，让控制器内部有足够的时间处理刚接收到的帧。
总结与特点
- 非破坏性仲裁：基于标识符（ID）的优先级仲裁机制。优先级高的报文继续发送，优先级低的自动退出发送并在总线空闲时重试，没有任何数据损失或丢失。
- 高可靠性：通过CRC校验、应答位（ACK）和强大的错误检测与信令机制，保证了数据传输的极高可靠性。
- 广播与过滤：报文被广播到所有节点，每个节点通过标识符过滤来决定是否接收和处理该报文。
- 短小高效：数据长度最高为8字节，开销小，非常适合高实时性要求的控制系统。
具体例子
下面，我将通过一个具体的例子来详细说明标准CAN帧的每一部分。
场景设定
假设我们有一个简单的汽车网络，里面有两个节点：
1.发动机控制单元（ECU_Engine）：负责报告发动机转速。
2.仪表盘单元（ECU_Dashboard）：负责接收转速并显示在转速表上。
ECU_Engine需要没秒发送100次发动机转速数据。我们假设当前发动机转速为 3000 RPM。
步骤1：组帧前的准备
1.报文标识符（ID）：我们需要为转速报文分配一个唯一的ID。假设我们分配 ID = 0x123（十六进制）。这个ID决定了报文的优先级。0x123是一个中等偏高的优先级（因为数值较小）。
2.数据：转速数据为3000。我们需要用2个字节（16位）来表示它。假设我们使用大端模式（Big-endian）（即高位字节在前）：
- 3000的十六进制是
0x0BB8。 - 因此，数据段的两个字节为：
– Byte 0 =0x0B（高字节）
– Byte 1 =0xB8（低字节）
3.数据长度：我们有2个字节的数据，所以数据长度码（DLC）为2。
步骤2：构建标准数据帧
现在，我们来逐字段构建这个转速数据帧。
| 字段 | 值（二进制） | 值（十六进制） | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1.帧起始（SOF） | 0 | - | 一个显性位（0），标志开始。 |
| 2.仲裁段 | |||
| 标识符（11位） | 001 0010 0011 | 0x123 | 这是报文的ID。注意最高7位是0x09（0010010），最低4位是0x3（0011），合起来是0x123。 |
| RTR位 | 0 | - | 显性位（0），表面这是一个数据帧 |
| 3.控制段 | |||
| IDE位 | 0 | - | 显性位（0），表面这是标准帧（11位ID）。 |
| 保留位r0 | 0 | - | 必须发送显性位（0）。 |
| DLC（4位） | 0100 | 0x2 | 数据长度为 2个字节。 |
| 4.数据段（2字节） | |||
| 数据字节0 | 0000 1011 | 0x0B | 转速数据的高字节（3000的高位部分）。 |
| 数据字节1 | 1011 1000 | 0xB8 | 转速数据的低字节（3000的低位部分）。 |
| 5.CRC段 | |||
| CRC序列（15位） | CRC算法（计算得出） | e.g., 0x7FAC | 发送器根据前面所有位计算出的校验值。假设这里是 0x7FAC |
| CRC界定符 | 1 | - | 隐性位（1），固定格式。 |
| 6.应答段（ACK） | |||
| ACK间隙 | 1 →\to→ 0 | - | 发送器发送隐性位（1），但被接收器用显性位（0）覆盖。 |
| ACK界定符 | 1 | - | 隐性位（1），固定格式。 |
| 7.结束段（EOF） | 1111111 | - | 7个连续的隐性位（1），标志帧结束。 |
| 8.帧间间隔（IFS） | - | - | 总线短暂空闲，为下一帧做准备。 |
步骤3：总线上的传输与仲裁过程
1.发送：ECU_Engine开始将上述比特流逐位放到CAN总线上，从SOF开始。
2.仲裁（假设此时有另一个节点要发送低优先级消息）：
-
在发送仲裁段（ID+RTR）时，ECU_Engine也在监听总线。
-
它发送ID
0x123（00100100011）。 -
如果另一个节点同时发送一个ID为
0x124（00100100100）的报文，仲裁会发生：
– 前8位（00100100）两者完全相同，总线状态也一致，没有胜负。
– 比较第9位：ECU_Engine发0，另一个节点发0，还是平手。
– 比较第10位：ECU_Engine发0，另一个节点发1。
– 显性位（0）优先于隐性位（1）。因此，ECU_Engine赢得仲裁，继续发送。
– 另一个节点检测到它发送的是隐性位（1），但读到的是显性位（0），意识到自己优先级更低，立即退出发送模式转为接收模式，等待下次重试。 -
这就是非破坏性仲裁：高优先级报文无延迟地继续发送，低优先级报文自动退出，没有任何数据损坏。
步骤4：接收与应答过程
1.接收：总线上所有节点（包括ECU_Dashboard）都接收这个帧。
2.CRC校验：每个接收节点都用同样的算法对接收到的数据（SOF，仲裁段，控制段，数据段）进行计算，得到一个CRC值。
3.发送应答（ACK）：
- 在ACK Slot时间段，发送器ECU_Engine会释放总线，发送一个隐性位（1）。
- 所有正确接收到该帧（即CRC校验通过）的节点（在这个例子中，ECU_Dashboard肯定会的），都会在ACK Slot时间段内**发送一个显性位（0）**来覆盖这个隐性位。
4.确认：
- 发送器ECU_Engine在ACK Slot读总线。如果它读到了显性位（0），它就知道至少有一个节点成功接收了它的报文，于是认为发送成功。
- 如果它读到的仍然是隐性位（1），就意味着没有一个节点成功接收，这将出发错误计数器，ECU_Engine会稍后自动重发该报文。
步骤5数据处理
ECU_Dashboard成功接收帧后：
1.通过ID0x123识别出这是发动机转速报文。
2.根据DLC2知道数据段有2个字节。
3.从数据段提出两个字节0x0B和0xB8。
4.将它们组合成0x0BB8，转换为十进制数字 3000 。
5.最后，驱动转速表指针指向3000 RPM的位置。
