了解CAN协议中五种类型的帧结构

　　什么是CAN协议的帧类型

　　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。

　　数据帧和遥控帧

　　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。正所谓：君当作帧头，

　　妾当做帧尾，

　　日日来连体，

　　春眠不觉晓。

　　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。 

 

 

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。

 

 

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：

 

 

　　遥控帧仲裁段：

 

 

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： 

 

 

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.

 

 

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；

 

 

　　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。

 

 

　　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：

　　一对一、组播和广播

　　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：

 

 

　　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。

 

 

　　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。

 

 

　　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。