标准CAN帧介绍

标准CAN（Controller Area Network）结构

CAN总线通信的核心就是节点间通过发送和接收符合特定格式的“帧”来实现。标准CAN有两种主要的帧格式：标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符）。这里我们首先聚焦于最基础的标准数据帧。
一个标准CAN数据帧由以下7个不同的位字段（Bit Fields）组成，如下图所示：

1.帧起始（SOF-Start Of Frame）

• 长度：1 bit
• 值：显性位（Dominant Bit，逻辑0）
• 作用：标志着数据帧的开始。它同步所有总线上的节点，表示一个新的报文即将开始传输。在总线空闲时，第一个发送显性位的节点获得总线访问权。

2.仲裁段（Arbitration Field）

这个字段决定了报文的优先级，并在多个节点同时发送时解决冲突（仲裁）。
它由两部分组成：

• 标识符（Identifier）：
  – 长度：11 bits
  – 作用：标识报文的含义和优先级。ID值越小，优先级越高（因为显性位0优先）。例如，ID为0x000的报文优先级最高，ID为0x7FF的优先级最低。接收节点根据ID来决定是否接收该报文。
• 远程传输请求位（RTR-Remote Transmission Request）：
  – 长度：1 bit
  – 作用：区分是 数据帧 还是 远程帧。
  — 数据帧（Data Frame）：RTR = 显性位（0）。表示该帧带有数据。
  — 远程帧（Remote Frame）：RTR = 隐性位（1）。用于向其他节点请求发送具有相同ID的数据帧。远程帧没有数据段。

3.控制段（Control Field）

这个字段提供了关于数据长度的信息。
它由三部分组成：

• 标识符扩展位（IDE-Identifier Extension）
  – 长度：1 bit
  – 作用：区分标准帧和扩展帧。
  — 标准帧：IDE = 显性位（0）。
  — 扩展帧：IDE = 隐性位（1）。（扩展帧的仲裁段结构不同）

• 保留位（r0）：
  – 长度：1 bit
  – 作用：保留位，必须发送显性位（0），但接收器可以接收显性或隐性位。

• 数据长度码（DLC-Data Length Code）：
  – 长度：4 bit
  – 作用：指示数据段中包含的字节数。取值范围从0到8。DLC值大于8的情况在CAN FD中定义，经典CAN中无效。

4.数据段（Data Field）

• 长度：0-8 bytes（由DLC决定）
• 作用：包含实际要传输的数据内容。这是报文的有效载荷。CAN协议允许灵活的数据长度，非常适合传输控制命令、传感器读数等短小精悍的信息。

5.CRC段（CRC Field）

这个字段用于检测传输错误。
它由两部分组成：

• CRC序列（CRC Sequence）
  – 长度：15 bits
  – 作用：循环冗余校验值。由发送器根据帧起始、仲裁段、控制段和数据段的内容计算得出。

• CRC界定符（CRC Dilimiter）
  – 长度：1 bit
  – 值：隐性位（1）
  – 作用：作为一个固定的分隔符，标志着CRC序列的结束。

6.应答段（ACK Field）

这个字段用于接收节点确认是否接收到报文。
它由两部分组成：

• 应答间隙（ACK Slot）：
  – 长度：1 bit
  – 发送器行为：发送一个隐性位（1）。
  – 接收器行为：任何正确接收到报文（通过CRC校验）的接收节点，都会在ACK Slot时间段内发送一个**显性位（0）**来覆盖它。

• 应答界定符（ACK Dilimiter）：
  – 长度：1 bit
  – 值：隐性位（1）
  – 作用：标志着应答段的结束。它必须为隐性位。

ACK段的工作方式：发送器发送隐性位（1），如果至少有一个接收器正确接收了帧，它就会用显性位（0）覆盖这个位。因此，发送器如果在ACK Slot读到隐性位（1），就知道没有节点成功接收，会触发错误并重发。

7.结束段（EOF-End Of Frame）

– 长度：7 bits
– 值：全部为隐性位（1）
– 作用：明确标志该帧的传输结束。

8.帧间间隔（IFS-Inter Frame Space）

虽然严格来说不属于帧的一部分，但它是帧与帧之间必需的间隔。

• 长度：3 bits（或更多，具体由控制器实现决定）
• 作用：在帧结束和下一帧开始（或总线空闲）之间提供一个最小间隔，让控制器内部有足够的时间处理刚接收到的帧。

总结与特点

• 非破坏性仲裁：基于标识符（ID）的优先级仲裁机制。优先级高的报文继续发送，优先级低的自动退出发送并在总线空闲时重试，没有任何数据损失或丢失。
• 高可靠性：通过CRC校验、应答位（ACK）和强大的错误检测与信令机制，保证了数据传输的极高可靠性。
• 广播与过滤：报文被广播到所有节点，每个节点通过标识符过滤来决定是否接收和处理该报文。
• 短小高效：数据长度最高为8字节，开销小，非常适合高实时性要求的控制系统。

具体例子

下面，我将通过一个具体的例子来详细说明标准CAN帧的每一部分。

场景设定

假设我们有一个简单的汽车网络，里面有两个节点：
1.发动机控制单元（ECU_Engine）：负责报告发动机转速。
2.仪表盘单元（ECU_Dashboard）：负责接收转速并显示在转速表上。
ECU_Engine需要没秒发送100次发动机转速数据。我们假设当前发动机转速为 3000 RPM。

步骤1：组帧前的准备

1.报文标识符（ID）：我们需要为转速报文分配一个唯一的ID。假设我们分配 ID = 0x123（十六进制）。这个ID决定了报文的优先级。0x123是一个中等偏高的优先级（因为数值较小）。
2.数据：转速数据为3000。我们需要用2个字节（16位）来表示它。假设我们使用大端模式（Big-endian）（即高位字节在前）：

• 3000的十六进制是0x0BB8。
• 因此，数据段的两个字节为：
  – Byte 0 = 0x0B（高字节）
  – Byte 1 = 0xB8（低字节）
  3.数据长度：我们有2个字节的数据，所以数据长度码（DLC）为2。

步骤2：构建标准数据帧

现在，我们来逐字段构建这个转速数据帧。

步骤3：总线上的传输与仲裁过程

1.发送：ECU_Engine开始将上述比特流逐位放到CAN总线上，从SOF开始。
2.仲裁（假设此时有另一个节点要发送低优先级消息）：

• 在发送仲裁段（ID+RTR）时，ECU_Engine也在监听总线。

• 它发送ID0x123（00100100011）。

• 如果另一个节点同时发送一个ID为0x124（00100100100）的报文，仲裁会发生：
  – 前8位（00100100）两者完全相同，总线状态也一致，没有胜负。
  – 比较第9位：ECU_Engine发0，另一个节点发0，还是平手。
  – 比较第10位：ECU_Engine发0，另一个节点发1。
  – 显性位（0）优先于隐性位（1）。因此，ECU_Engine赢得仲裁，继续发送。
  – 另一个节点检测到它发送的是隐性位（1），但读到的是显性位（0），意识到自己优先级更低，立即退出发送模式转为接收模式，等待下次重试。

• 这就是非破坏性仲裁：高优先级报文无延迟地继续发送，低优先级报文自动退出，没有任何数据损坏。

步骤4：接收与应答过程

1.接收：总线上所有节点（包括ECU_Dashboard）都接收这个帧。
2.CRC校验：每个接收节点都用同样的算法对接收到的数据（SOF，仲裁段，控制段，数据段）进行计算，得到一个CRC值。
3.发送应答（ACK）：

• 在ACK Slot时间段，发送器ECU_Engine会释放总线，发送一个隐性位（1）。
• 所有正确接收到该帧（即CRC校验通过）的节点（在这个例子中，ECU_Dashboard肯定会的），都会在ACK Slot时间段内**发送一个显性位（0）**来覆盖这个隐性位。

4.确认：

• 发送器ECU_Engine在ACK Slot读总线。如果它读到了显性位（0），它就知道至少有一个节点成功接收了它的报文，于是认为发送成功。
• 如果它读到的仍然是隐性位（1），就意味着没有一个节点成功接收，这将出发错误计数器，ECU_Engine会稍后自动重发该报文。

步骤5数据处理

ECU_Dashboard成功接收帧后：
1.通过ID0x123识别出这是发动机转速报文。
2.根据DLC2知道数据段有2个字节。
3.从数据段提出两个字节0x0B和0xB8。
4.将它们组合成0x0BB8，转换为十进制数字 3000 。
5.最后，驱动转速表指针指向3000 RPM的位置。