硬件接口协议之“CAN总线报文”

本文主要介绍CAN总线的帧类型及结构。

CAN总线定义五种帧类型，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。数据帧就是总线上传输用户数据的帧，其最高有效载荷是8字节（CAN FD为64字节），除了有效载荷外，数据帧还包括必要的帧头帧位部分以执行CAN标准通信，比如消息标识符（Identifier）、数据长度代码、校验信息等。远程帧是用来向总线上其它节点请求数据的帧，它的帧结构与数据帧相似，只不过没有有效载荷部分；错误帧是表示通信出错的帧；帧间隔是用来隔离数据帧或者遥控帧的。

数据帧和远程帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有11位的标识符，扩展格式有29位标识符。

数据帧

数据帧的帧结构如下图所示：

各个字段定义及长度分别为：

• SOF：表示数据帧开始；（1bit）

• Identifier：标准格式11 bit，扩展格式29 bit包括Base Identifier（11bit）和Extended Identifier（18bit），该区段标识数据帧的优先级，数值越小，优先级越高；

• RTR：远程传输请求位，0时表示为数据帧，1表示为远程帧，也就是说RTR=1时，消息帧的Data Field为空；（1bit）

• IDE： 标识符扩展位，0时表示为标准格式，1表示为扩展格式；（1bit）

• DLC：数据长度代码，0~8表示数据长度为0~8 Byte；（4bit）

• Data Field：数据域；（0~8Byte）

• CRC Sequence：校验域，校验算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15bit）

• DEL：校验域和应答域的隐性界定符；（1bit）

• ACK：应答，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1，接收节点正常接收数据后将此位置为0；（1bit）

• SRR：替代远程请求位，在扩展格式中占位用，必须为1；（1bit）

• EOF：连续7个隐性位（1）表示帧结束；（7bit）

• ITM：帧间隔，Intermission (ITM)，又称Interframe Space (IFS)，连续3个隐性位，但它不属于数据帧。帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间。

远程帧

一般情况，数据是由发送单元主动向总线上发送的，但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此，它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似，如下图所示。

远程帧与数据帧的帧结构区别如下表所示：

当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。

错误帧

用于在接收和发送消息时检测出错误时，通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如下图所示。

• 错误标志：6-12 个显性/隐性重叠位

• 主动错误标志（6个显性位）：处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

• 被动错误标志（6个隐性位）：处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

• 错误界定符：8 个隐性位

过载帧

过载帧是用于接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备的帧。在两种情况下，节点会发送过载帧：

接收单元条件的制约，要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输；
帧间空间（Intermission）的 3 bit 内检测到显性位

每个节点最多连续发送两条过载帧。过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成。过载帧的结构如下图所示。

帧间隔

帧间隔是用来隔离数据帧（或者遥控帧）的，也就是说，数据帧（或者遥控帧）通过插入帧间隔可以将本帧与先行帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分隔开来。但是过载帧和错误帧的前面不能插入帧间隔。

帧间隔有两种不同的形式：

• 主动错误状态的帧间隔

• 被动错误状态的帧间隔

间隔段：连续三个隐性位；间隔段期间，所有节点不允许发送数据帧或遥控帧，只要在这期间监听到显性位，接收节点就会发送过载帧。

空闲段：连续隐性位，个数不一定，0个或者多个都可以。总线空闲的时间是任意长的，只要总线空闲，节点就可以竞争总线。

暂停段：又叫做延迟传送段，只有处于被动错误状态的节点在发送帧间隔的时候，才会在帧间隔中插入8个连续隐性位的暂停段。

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