can總線分層結(jié)構(gòu)及報文傳輸

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network， CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在建立之初，CAN總線就定位于汽車內(nèi)部的現(xiàn)場總線，具有傳輸速度快、可靠性高、靈活性強等優(yōu)點。上世紀(jì)90年代CAN總線開始在汽車電子行業(yè)內(nèi)逐步推廣，目前已成為汽車電子行業(yè)首選的通信協(xié)議，并且在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)、樓宇設(shè)施、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。

CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(Medium Access Control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

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

介質(zhì)訪問控制子層(MAC)的功能：主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定和故障界定。MAC子層也要確定當(dāng)開始一次新的傳送時，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時特性也是MAC子層的一部分。

幀類型

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(biāo)識符域的長度不同，含有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀稱為擴展幀。如CAN1.2版本協(xié)議所描述，兩個版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(shè)計相對簡單，并不要求執(zhí)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(biāo)準(zhǔn)格式。但無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有以下四種不同類型的幀。

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

(1)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)域(DataField)、CRC域(CRC Field)、應(yīng)答域(ACK Field)和幀結(jié)尾(End of )。數(shù)據(jù)域的長度可以為0～8個字節(jié)。

1)幀起始(SOF)：幀起始(SOF)標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。在CAN的同步規(guī)則中，當(dāng)總線空閑時(處于隱性狀態(tài))，才允許站點開始發(fā)送(信號)。所有的站點必須同步于首先開始發(fā)送報文的站點的幀起始前沿(該方式稱為“硬同步”)。

2)仲裁域：仲裁域由標(biāo)識符和RTR位組成，標(biāo)準(zhǔn)幀格式與擴展幀格式的仲裁域格式不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里，仲裁域由1l位標(biāo)識符和RTR位組成。標(biāo)識符位有ID28～IDl8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標(biāo)識符、SRR位、IDE(Idenfier Extension，標(biāo)志符擴展)位、RTR位。其標(biāo)識符有ID28～IDO。為了區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴展幀格式，CANl.0～1.2版本協(xié)議的保留位r1現(xiàn)表示為IDE位。IDE位為顯性，表示數(shù)據(jù)幀為標(biāo)準(zhǔn)格式;IDE位為隱性，表示數(shù)據(jù)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的全稱為“遠程發(fā)送請求(Remote TransmissionRequest)”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“隱性”。它是區(qū)別數(shù)據(jù)幀和遠程幀的標(biāo)志。

3)控制域：控制域由6位組成，包括2個保留位(r0、r1同于CAN總線協(xié)議擴展)及4位數(shù)據(jù)長度碼，允許的數(shù)據(jù)長度值為0～8字節(jié)。

4)數(shù)據(jù)域：發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按照長度代碼指示長度發(fā)送。對于接收的數(shù)據(jù)，同樣如此。它可為0～8字節(jié)，每個字節(jié)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(shù)據(jù)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(shù)按模2計算)，相除的余數(shù)即為發(fā)至總線的CRC序列。發(fā)送時，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(yīng)答域：應(yīng)答域由發(fā)送方發(fā)出的兩個(應(yīng)答間隙及應(yīng)答界定)隱性位組成，所有接收到正確的CRC序列的節(jié)點將在發(fā)送節(jié)點的應(yīng)答間隙上將發(fā)送的這一隱性位改寫為顯性位。因此，發(fā)送節(jié)點將一直監(jiān)視總線信號已確認網(wǎng)絡(luò)中至少一個節(jié)點正確地接收到所發(fā)信息。應(yīng)答界定符是應(yīng)答域中第二個隱性位，由此可見，應(yīng)答間隙兩邊有兩個隱性位：CRC域和應(yīng)答界定位。

7)幀結(jié)束域：每一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀均由一串七個隱性位的幀結(jié)束域結(jié)尾。這樣，接收節(jié)點可以正確檢測到一個幀的傳輸結(jié)束。

(2)錯誤幀

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

1)錯誤標(biāo)志：有兩種形式的錯誤標(biāo)志。

①激活(Acve)錯誤標(biāo)志。它由6個連續(xù)顯性位組成。

②認可(Passive)錯誤標(biāo)志。它由6個連續(xù)隱性位組成。

它可由其他CAN總線協(xié)議控制器的顯性位改寫。

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

(3)遠程幀

遠程幀也有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式，而且都由6個不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)尾。與數(shù)據(jù)幀相比，遠程幀的RTR位為隱性，沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度編碼域可以是0～8個字節(jié)的任何值，這個值是遠程幀請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域長度。當(dāng)具有相同仲裁域的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性，所以數(shù)據(jù)幀獲得優(yōu)先。發(fā)送遠程幀的節(jié)點可以直接接收數(shù)據(jù)。

(4)過載幀

過載幀由兩個區(qū)域組成：過載標(biāo)識域及過載界定符域。下述三種狀態(tài)將導(dǎo)致過載幀發(fā)送：

1)接收方在接收一幀之前需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)(接收尚未準(zhǔn)備好);

2)在幀空隙域檢測到顯性位信號;

3)如果CAN節(jié)點在錯誤界定符或過載界定符的第8位采樣到一個顯性位節(jié)點會發(fā)送一個過載幀。