一文搞懂CAN總線(xiàn)協(xié)議幀格式

CAN總線(xiàn)上傳輸的信息稱(chēng)為報文，當總線(xiàn)空閑時(shí)任何連接的單元都可以開(kāi)始發(fā)送新的報文。

CAN通信是通過(guò)以下5種類(lèi)型的幀進(jìn)行的：

• 數據幀 

• 遙控幀 

• 錯誤幀 

• 過(guò)載幀 

• 幀間隔

另外，數據幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有 11 個(gè)位的標識符（Identifier: 以下簡(jiǎn)稱(chēng) ID）， 擴展格式有 29 個(gè)位的 ID。

各種幀的用途如下表所示：

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數據幀由7個(gè)段構成，圖解說(shuō)明如下所示：

• 幀起始：表示數據幀開(kāi)始的段；

• 仲裁段：表示該幀優(yōu)先級的段，根據仲裁段ID碼長(cháng)度的不同，分為標準幀（CAN 2.0A）和擴展幀（CAN 2.0B）；

• 控制段：表示數據的字節數及保留位的段；

• 數據段：數據的內容，可發(fā)送0~8個(gè)字節的數據；

• CRC段：檢查幀的傳輸錯誤的段；

• ACK段：表示確認正常接收的段；

• 幀結束：表示數據幀結束的段。

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數據幀

1.1、幀起始

幀起始由1個(gè)顯性位組成?？偩€(xiàn)空閑時(shí)，發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他接收節點(diǎn)同步于該幀起始位。

總線(xiàn)上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。

總線(xiàn)上執行邏輯上的線(xiàn)“與”時(shí)，顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。

“顯性”具有“優(yōu)先”的意味，只要有一個(gè)單元輸出顯性電平，總線(xiàn)上即為顯性電平。并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線(xiàn)上才為隱性電平。（顯性電平比隱性電平更強。）

1.2、仲裁段

仲裁段用于寫(xiě)明需要發(fā)送到目的CAN節點(diǎn)的地址、確定發(fā)送的幀類(lèi)型（當前發(fā)送的是數據幀還是遙控幀），并確定發(fā)送的幀格式是標準幀還是擴展幀。

仲裁段在標準格式幀和擴展格式幀中有所不同。標準格式幀的仲裁段由11位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成，擴展格式幀的仲裁場(chǎng)由29位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成。

1.2.1、標準數據幀

標準數據幀基于早期的CAN規格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。

CAN標準幀幀信息是11字節，包括幀描述符和幀數據兩部分。如下表所列：

前3字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類(lèi)型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時(shí)實(shí)際的數據長(cháng)度。

標準數據幀的 ID 有 11 個(gè)位。從 ID10 到 ID0 依次發(fā)送。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。

字節2~3為報文識別碼，其高11位有效。

字節4~11為數據幀的實(shí)際數據，遠程幀時(shí)無(wú)效。

1.2.2、擴展數據幀

CAN擴展幀幀信息是13字節，包括幀描述符和幀數據兩部分，如下表所示：

前5字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類(lèi)型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時(shí)實(shí)際的數據長(cháng)度。

擴展格式的 ID 有 29 個(gè)位?；?ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示?；?ID 和 標準格式的 ID 相同。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。

字節2~5為報文識別碼，其高28位有效。

字節6~13為數據幀的實(shí)際數據，遠程幀時(shí)無(wú)效。

1.3、控制段

控制段由6個(gè)位組成，包括數據長(cháng)度代碼和兩個(gè)將來(lái)作為擴展用的保留位，標準格式和擴展格式的構成有所不同。

數據長(cháng)度代碼指示了數據段中的字節數量。數據長(cháng)度代碼為4個(gè)位，在控制段里被發(fā)送，數據幀長(cháng)度允許的字節數為0、1、2、3、4、5、6、7、8，其他數值為非法的。

保留位（r0、r1）必須全部以顯性電平發(fā)送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。

數據長(cháng)度碼（DLC）與數據的字節數的對應關(guān)系如下表所示：

數據的字節數必須為 0~8 字節，但接收方對 DLC = 9~15 的情況并不視為錯誤。

1.4、數據段

數據段由數據幀中的發(fā)送數據組成，它可以為0~8字節，每字節包含了8位，首先發(fā)送最高有效位MSB，依次發(fā)送至最低有效位LSB。

1.5、CRC段

CRC段是檢查幀傳輸錯誤的幀，包括：15 個(gè)位的 CRC序列（CRC SEQUENCE）和1 個(gè)位的CRC界定符（CRC DELIMITER）構成。

CRC序列是根據多項式生成的 CRC 值，CRC 的計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數據 段。接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時(shí)會(huì )通報錯誤。

1.6、ACK段

ACK段用來(lái)確認是否正常接收。由 ACK 槽（ACK SLOT）和 ACK 界定符（ACK DELIMITER）2 個(gè)位構成。

發(fā)送單元在 ACK 段發(fā)送 2 個(gè)位的隱性位。當接收器正確地接收到有效的報文時(shí)，接收器就會(huì )在應答間隙（ACK SLOT）期間（發(fā)送ACK 信號）向發(fā)送器發(fā)送一個(gè)“顯性”的位以示應答，通知發(fā)送單元正常接收結束，這稱(chēng)作“發(fā)送 ACK”或者“返回 ACK”。

發(fā)送 ACK/返回 ACK是在既不處于總線(xiàn)關(guān)閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元 （發(fā)送單元不發(fā)送 ACK）。所謂正常消息是指不含填充錯誤、格式錯誤、CRC 錯誤的消息。

1.7、幀結束

幀結束是由每一個(gè)數據幀和遠程幀的標志序列界定的，這個(gè)標志序列由7個(gè)“隱性”位組成。

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標準數據幀和擴展數據幀

CAN協(xié)議可以接收和發(fā)送11位標準數據幀和29位擴展數據幀，CAN標準數據幀和擴展數據幀只是幀ID長(cháng)度不同，以便可以擴展更多CAN節點(diǎn)。

2.1、標準數據幀

標準數據幀基于早期的CAN規格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。

CAN標準幀幀信息是11字節，包括幀描述符和幀數據兩部分。如下表所列：

前3字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類(lèi)型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時(shí)實(shí)際的數據長(cháng)度。

標準數據幀的 ID 有 11 個(gè)位。從 ID10 到 ID0 依次發(fā)送，可以出現2^11種報文，幀ID的范圍是：000-7FF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。

字節2~3為報文識別碼，其高11位有效。

字節4~11為數據幀的實(shí)際數據，遠程幀時(shí)無(wú)效。

2.2、擴展數據幀

CAN擴展幀幀信息是13字節，包括幀描述符和幀數據兩部分，如下表所示：

前5字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類(lèi)型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時(shí)實(shí)際的數據長(cháng)度。

擴展格式的 ID 有 29 個(gè)位，基本 ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示，基本 ID 和 標準格式的 ID 相同，可以出現2^29種報文，且在數據鏈路上是有間隙的（對操作者透明），幀ID的范圍是0000 0000-1FFF FFFF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。

字節2~5為報文識別碼，其高28位有效。

字節6~13為數據幀的實(shí)際數據，遠程幀時(shí)無(wú)效。

2.3、標準數據幀和擴展數據幀的特性

CAN標準數據幀和擴展數據幀只是幀ID長(cháng)度不同，功能上都是相同的，它們有一個(gè)共同的特性：幀ID數值越小，優(yōu)先級越高。

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遙控幀

3.1、遙控幀格式

遙控幀是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數據所用的幀，遙控幀由 6 個(gè)段組成，遙控幀沒(méi)有數據段。

遙控幀的構成如下所示：

• 幀起始（SOF）：表示幀開(kāi)始的段；

• 仲裁段：表示該幀優(yōu)先級的段?？烧埱缶哂邢嗤?ID 的數據幀；

• 控制段：表示數據的字節數及保留位的段；

• CRC 段：檢查幀的傳輸錯誤的段；

• ACK 段：表示確認正常接收的段；

• 幀結束：表示遙控幀結束的段。

遙控幀格式如下圖所示：

3.2、數據幀和遙控幀的區別

數據幀和遙控幀主要有兩點(diǎn)區別：

• 遙控幀沒(méi)有數據幀的數據段；

• 遙控幀RTR位是隱性，RTR位的極性表示了所發(fā)送的幀是數據幀（RTR位“顯性”）還是遠程幀（RTR位“隱性”）。所以，沒(méi)有數據段的數據幀和遙控幀可通過(guò) RTR 位區別開(kāi)來(lái)。

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錯誤幀

4.1、錯誤幀格式

錯誤幀由錯誤標志（Error Flag）和錯誤界定符（Error Delimiter）組成。

接收節點(diǎn)發(fā)現總線(xiàn)上的報文有錯誤時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出活動(dòng)錯誤標志，它是6個(gè)連續的顯性位。其他節點(diǎn)檢測到活動(dòng)錯誤標志后發(fā)送錯誤認可標志，它由6個(gè)連續的隱性位組成。由于各個(gè)接收節點(diǎn)發(fā)現錯誤的時(shí)間可能不同，所以總線(xiàn)上實(shí)際的錯誤標志可能由6~12個(gè)顯性位組成。

錯誤界定符由 8 個(gè)位的隱性位構成。當錯誤標志發(fā)生后，每一個(gè)CAN 節點(diǎn)監視總線(xiàn)，直至檢測到一個(gè)顯性電平的跳變。此時(shí)表示所有的節點(diǎn)已經(jīng)完成了錯誤標志的發(fā)送，并開(kāi)始發(fā)送8個(gè)隱性電平的界定符。

如下所示：

4.2、主動(dòng)錯誤標志和被動(dòng)錯誤標志

 錯誤標志包括主動(dòng)錯誤標志和被動(dòng)錯誤標志兩種。

• 主動(dòng)錯誤標志：處于主動(dòng)錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時(shí)輸出的錯誤標志，6 個(gè)位的顯性位；

• 被動(dòng)錯誤標志：處于被動(dòng)錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時(shí)輸出的錯誤標志，6 個(gè)位的隱性位。

4.3、錯誤幀種類(lèi)

錯誤幀共有 5 種，多種錯誤可能同時(shí)發(fā)生，種類(lèi)如下所示：

• 位錯誤

• 填充錯誤

• CRC 錯誤

• 格式錯誤

• ACK 錯誤

錯誤的種類(lèi)、錯誤的內容、錯誤檢測幀和檢測單元如下表所示：

重點(diǎn)聊一聊位錯誤和格式錯誤。

位錯誤特性如下所示：

• 位錯誤由向總線(xiàn)上輸出數據幀、遙控幀、錯誤幀、過(guò)載幀的單元和輸出 ACK 的單元、輸出錯誤的單元來(lái)檢測；

• 在仲裁段輸出隱性電平，但檢測出顯性電平時(shí)，將被視為仲裁失利，而不是位錯誤；

• 在仲裁段作為填充位輸出隱性電平時(shí)，但檢測出顯性電平時(shí)，將不視為位錯誤，而是填充錯誤；

• 發(fā)送單元在 ACK 段輸出隱性電平，但檢測到顯性電平時(shí)，將被判斷為其它單元的 ACK 應答，而非位錯誤；

• 輸出被動(dòng)錯誤標志（6 個(gè)位隱性位）但檢測出顯性電平時(shí)，將遵從錯誤標志的結束條件，等待檢測出連續相同 6 個(gè)位的值（顯性或隱性），并不視為位錯誤。

格式錯誤特性如下所示：

• 即使接收單元檢測出 EOF（7 個(gè)位的隱性位）的最后一位（第 8 個(gè)位）為顯性電平，也不視為格式錯誤；

• 即使接收單元檢測出數據長(cháng)度碼（DLC）中 9～15 的值時(shí)，也不視為格式錯誤。

發(fā)送單元發(fā)送完錯誤幀后，將再次發(fā)送數據幀或遙控幀，錯誤標志輸出時(shí)序如下表所示：

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過(guò)載幀

過(guò)載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀，過(guò)載幀由過(guò)載標志和過(guò)載界定符構成。

• 過(guò)載標志由6個(gè)位的顯性位組成，過(guò)載標志的構成與主動(dòng)錯誤標志的構成相同。過(guò)載標志其形式破壞了間歇場(chǎng)的固定格式，結果使其他所有節點(diǎn)也檢測到了一個(gè)出錯狀態(tài)，就都各自送出一個(gè)超載標志。

• 過(guò)載界定符由8個(gè)位的隱性位組成，過(guò)載界定符的構成與錯誤界定符的構成相同。過(guò)載標志發(fā)送完畢后，每個(gè)節點(diǎn)都對總線(xiàn)進(jìn)行監察，直到檢測到一個(gè)隱性位為止。此時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)均已發(fā)送完各自的過(guò)載標志，接著(zhù)所有節點(diǎn)還要同時(shí)開(kāi)始發(fā)送7個(gè)隱性位，配齊長(cháng)達8位的過(guò)載界定符。

過(guò)載幀的構成如下圖所示：

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幀間隔

幀間隔是用于分隔數據幀和遙控幀的幀。數據幀和遙控幀可通過(guò)插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過(guò)載幀）分開(kāi)，過(guò)載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。

幀間隔的構成如下圖所示：

幀間隔由間隔段、總線(xiàn)空閑段和延遲傳送段組成，具體說(shuō)明如下所示：

• 間隔段：間歇由3個(gè)隱性位構成。在間歇期間，不允許任何節點(diǎn)發(fā)送數據幀或遠程幀。唯一可以執行的操作是通報超載狀態(tài)；

• 總線(xiàn)空閑段：總線(xiàn)空閑時(shí)間長(cháng)短不限?？偩€(xiàn)一經(jīng)確認處于空閑狀態(tài)，則任何節點(diǎn)都可以訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)來(lái)傳送信息。因另一幀正在傳送而延期發(fā)送的幀是從間歇之后的第一位開(kāi)始送出的。通過(guò)對總線(xiàn)進(jìn)行檢測，出現在總線(xiàn)空閑期間的顯性位將被認為是幀起始；

• 延遲傳送段：處于錯誤認可狀態(tài)的節點(diǎn)完成其發(fā)送動(dòng)作后，在被允許發(fā)送下一幀以前，它要在間歇之后送出8個(gè)隱性位。如果間歇期間執行了（由另一個(gè)節點(diǎn)引起的）發(fā)送動(dòng)作，此節點(diǎn)將會(huì )變成正被發(fā)送的幀的接收器。