CAN學習手記一

九、CAN的報文格式：

（關于這部分內容，對于我下一步要進行編程實驗控制CAN總線是很重要的一個知識點。很郁悶的是搜了老半天只看見有文字敘述這部分內容的，不僅說得不系統完整，而且遠沒有貼圖說明來的具體直觀。不過還好，搜到了一份E文版的CAN總線資料，再把這個資料詳細看了下，再做了整理，還是用圖來說明CAN傳輸的報文格式比較容易理解。老外寫的東西確實比國內的好，這個不是我吹出來的，有興趣下了看看就知道了，見附件下載。）

CAN通信是一種點對多點的傳輸協議，不是基于地址的傳統的點對點傳輸協議。當一個點傳輸數據時，總線上的其它點都可以為接受方，它們可以通過ID來作出對總線上傳送數據的處理（接收或者丟棄）。并且當數據被正確接收到以后，接收方便會作出應答響應。CAN協議還有一個很實用的功能，就是總線上的任一個節點可以請求其它節點向其發送數據，這被稱作遠程發送請求（RTR）。除此以外，CAN協議還有一個優點，當總線新加入一個節點進行通信時無需更改原有的程序，新節點只要通過ID就可以知道是接收還是丟棄數據。

CAN協議定義了四種不同的幀。

1、數據幀，這個幀被用于當一個節點把信息傳送給系統的任何其它節點。數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場、幀結束。

2、遠程幀，此幀是基于數據幀格式，只要把RTR位設置成遠程發送請求（Remote Transmit Request），并且沒有數據場。總線上發送此幀后，表示請求接收與該幀ID相符的數據幀。遠程幀由6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場、幀結束。

3、錯誤幀，任何單元監測到錯誤時就發送錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加；第二個場是錯誤界定符。

4、超載幀，節點需要增加時間來處理接收到的數據時便發送過載幀。超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。

圖1 幀起始位

CAN總線傳輸的起始幀如圖1。幀起始標志數據幀或遠程幀的起始，由一個單獨的“顯性”位（0）組成。由控制芯片完成。

圖2 標準數據幀格式

圖3 擴展數據幀格式

由圖2和圖3可以看到數據幀的兩種不同格式，兩種格式的差別只是它們的ID位數不同。

1、幀起始。

2、仲裁場，仲裁場包括標識符和遠程發送請求位（RTR）。

對于CAN2.0A標準，標識符的長度為11位。RTR位在數據幀中必須是顯性位，而在遠程幀必須為隱性位。

對于CAN2.0，標準格式和擴展格式的仲裁場不同。在標準格式中，仲裁場由11位標識符和遠程發送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由29位標識符和替代遠程請求位（SRR）、標志位（IDE）和遠程發送請求位組成。

仲裁場的作用之一是說明數據幀或遠程幀發送目的地；之二是指出是數據幀還是遠程幀。

3、控制場，控制場由6個位組成，說明數據幀中有效數據的長度。標準幀的最高位是IDE位，擴展幀的最高位是保留位RB1，它們的次高位都是保留位RB0。低四位是DLC（Data Length Code）位，標識傳送的數據字節數（0-8字節）。

4、數據場，數據場由數據幀中的發送數據組成。它可以為0-8個字節。

5、CRC場，CRC場包括CRC序列，這部分由SJA1000控制芯片完成。

6、應答場，應答場長度為兩個位，包括應答間隙和應答界定符。由SJA1000控制芯片自動完成。

7、幀結束，每一個數據幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個標志序列由7個“隱性”位組成。這部分由SJA1000控制芯片自動完成。

仲裁場、控制場、數據場由軟件編程配置SJA1000完成；幀起始、CRC場、應答場、幀結束由CAN總線控制芯片SJA1000自動完成。

十、CAN的數據錯誤檢測：

不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。

1、循環冗余檢查(CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

2、幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

3、應答錯誤

如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那么表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

4、總線檢測

有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平并探測發送位和接收位的差異。

5、位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產生。在五個連續相等位后,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤,它將發送出錯標志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止后,發送站會自動地重新發送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線系統應采用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。

6、CAN可靠性

為防止汽車在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。

殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類 ,并且數據傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數,并假定這個系統中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統按每年365 天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。