can總線(xiàn)分層結構及報文傳輸

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network， CAN)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國際標準(ISO11898)。是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。在建立之初，CAN總線(xiàn)就定位于汽車(chē)內部的現場(chǎng)總線(xiàn)，具有傳輸速度快、可靠性高、靈活性強等優(yōu)點(diǎn)。上世紀90年代CAN總線(xiàn)開(kāi)始在汽車(chē)電子行業(yè)內逐步推廣，目前已成為汽車(chē)電子行業(yè)首選的通信協(xié)議，并且在醫療設備、工業(yè)生產(chǎn)、樓宇設施、交通運輸等領(lǐng)域中取得了廣泛的應用。

CAN的分層結構

CAN的數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復等功能，媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)子層完成數據打包/解包、幀編碼、媒體訪(fǎng)問(wèn)管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過(guò)程展開(kāi)的。

邏輯鏈路控制子層(LLC)的功能：為數據傳送和遠程數據請求提供服務(wù)，確認由LLC子層接收的報文實(shí)際上已被接收，為恢復管理和通知超載提供信息。在定義目標處理時(shí)，存在許多靈活性。

介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)的功能：主要是傳送規則，即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定當開(kāi)始一次新的傳送時(shí)，總線(xiàn)是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收。位定時(shí)特性也是MAC子層的一部分。

幀類(lèi)型

在CAN2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長(cháng)度不同，含有11位標識符的幀稱(chēng)之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱(chēng)為擴展幀。如CAN1.2版本協(xié)議所描述，兩個(gè)版本的標準數據幀格式和遠程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2.0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設計相對簡(jiǎn)單，并不要求執行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標準格式。但無(wú)論是哪種幀格式，在報文傳輸時(shí)都有以下四種不同類(lèi)型的幀。

在報文傳輸時(shí)，不同的幀具有不同的傳輸結構，下面將分別介紹四種傳輸幀的結構，只有嚴格按照該結構進(jìn)行幀的傳輸，才能被節點(diǎn)正確接收和發(fā)送。

(1)數據幀

由七種不同的位域(Bit Field)組成：幀起始(Start of )、仲裁域(Arbitraon Field)、控制域(Control Field)、數據域(DataField)、CRC域(CRC Field)、應答域(ACK Field)和幀結尾(End of )。數據域的長(cháng)度可以為0～8個(gè)字節。

1)幀起始(SOF)：幀起始(SOF)標志著(zhù)數據幀和遠程幀的起始，僅由一個(gè)“顯性”位組成。在CAN的同步規則中，當總線(xiàn)空閑時(shí)(處于隱性狀態(tài))，才允許站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送(信號)。所有的站點(diǎn)必須同步于首先開(kāi)始發(fā)送報文的站點(diǎn)的幀起始前沿(該方式稱(chēng)為“硬同步”)。

2)仲裁域：仲裁域由標識符和RTR位組成，標準幀格式與擴展幀格式的仲裁域格式不同。標準格式里，仲裁域由1l位標識符和RTR位組成。標識符位有ID28～IDl8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標識符、SRR位、IDE(Idenfier Extension，標志符擴展)位、RTR位。其標識符有ID28～IDO。為了區別標準幀格式和擴展幀格式，CANl.0～1.2版本協(xié)議的保留位r1現表示為IDE位。IDE位為顯性，表示數據幀為標準格式;IDE位為隱性，表示數據幀為擴展幀格式。在擴展幀中，替代遠程請求(Substute Remote Request，SRR)位為隱性。仲裁域傳輸順序為從最高位到最低位，其中最高7位不能全為零。RTR的全稱(chēng)為“遠程發(fā)送請求(Remote TransmissionRequest)”。RTR位在數據幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“隱性”。它是區別數據幀和遠程幀的標志。

3)控制域：控制域由6位組成，包括2個(gè)保留位(r0、r1同于CAN總線(xiàn)協(xié)議擴展)及4位數據長(cháng)度碼，允許的數據長(cháng)度值為0～8字節。

4)數據域：發(fā)送緩沖區中的數據按照長(cháng)度代碼指示長(cháng)度發(fā)送。對于接收的數據，同樣如此。它可為0～8字節，每個(gè)字節包含8位，首先發(fā)送的是MSB(最高位)。

5)CRC校驗碼域：它由CRC域(15位)及CRC邊界符(一個(gè)隱性位)組成。CRC計算中，被除的多項式包括幀的起始域、仲裁域、控制域、數據域及15位為0的解除填充的位流給定。此多項式被下列多項式X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1除(系數按模2計算)，相除的余數即為發(fā)至總線(xiàn)的CRC序列。發(fā)送時(shí)，CRC序列的最高有效位被首先發(fā)送/接收。之所以選用這種幀校驗方式，是由于這種CRC校驗碼對于少于127位的幀是最佳的。

6)應答域：應答域由發(fā)送方發(fā)出的兩個(gè)(應答間隙及應答界定)隱性位組成，所有接收到正確的CRC序列的節點(diǎn)將在發(fā)送節點(diǎn)的應答間隙上將發(fā)送的這一隱性位改寫(xiě)為顯性位。因此，發(fā)送節點(diǎn)將一直監視總線(xiàn)信號已確認網(wǎng)絡(luò )中至少一個(gè)節點(diǎn)正確地接收到所發(fā)信息。應答界定符是應答域中第二個(gè)隱性位，由此可見(jiàn)，應答間隙兩邊有兩個(gè)隱性位：CRC域和應答界定位。

7)幀結束域：每一個(gè)數據幀或遠程幀均由一串七個(gè)隱性位的幀結束域結尾。這樣，接收節點(diǎn)可以正確檢測到一個(gè)幀的傳輸結束。

(2)錯誤幀

錯誤幀由兩個(gè)不同的域組成：第一個(gè)域是來(lái)自控制器的錯誤標志;第二個(gè)域為錯誤分界符。

1)錯誤標志：有兩種形式的錯誤標志。

①激活(Acve)錯誤標志。它由6個(gè)連續顯性位組成。

②認可(Passive)錯誤標志。它由6個(gè)連續隱性位組成。

它可由其他CAN總線(xiàn)協(xié)議控制器的顯性位改寫(xiě)。

2)錯誤界定：錯誤界定符由8個(gè)隱性位組成。傳送了錯誤標志以后，每一站就發(fā)送一個(gè)隱性位，并一直監視總線(xiàn)直到檢測出1個(gè)隱性位為止，然后就開(kāi)始發(fā)送其余7個(gè)隱性位。

(3)遠程幀

遠程幀也有標準格式和擴展格式，而且都由6個(gè)不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應答域、幀結尾。與數據幀相比，遠程幀的RTR位為隱性，沒(méi)有數據域，數據長(cháng)度編碼域可以是0～8個(gè)字節的任何值，這個(gè)值是遠程幀請求發(fā)送的數據幀的數據域長(cháng)度。當具有相同仲裁域的數據幀和遠程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于數據幀的RTR位為顯性，所以數據幀獲得優(yōu)先。發(fā)送遠程幀的節點(diǎn)可以直接接收數據。

(4)過(guò)載幀

過(guò)載幀由兩個(gè)區域組成：過(guò)載標識域及過(guò)載界定符域。下述三種狀態(tài)將導致過(guò)載幀發(fā)送：

1)接收方在接收一幀之前需要過(guò)多的時(shí)間處理當前的數據(接收尚未準備好);

2)在幀空隙域檢測到顯性位信號;

3)如果CAN節點(diǎn)在錯誤界定符或過(guò)載界定符的第8位采樣到一個(gè)顯性位節點(diǎn)會(huì )發(fā)送一個(gè)過(guò)載幀。