CAN总线第2讲__数据链路层讲解_can数据链路层测量启动时间

1. can总线标准和帧格式

2. can通信机制和数据帧

3. can错误检测和错误帧

4.位定时和同步

5. 总结

1. can总线标准和帧格式

最新的CAN总线数据链路层协议为CAN2.0B Active，支持标准帧和扩展帧。

底层协议和ISO标准以及对应硬件的关系如图：

CAN总线收发器属于CAN的物理层，主要实现的就是CAN总线上面标准的电平信号。CAN控制器属于CAN的物理链路层，则实现了对CAN电平信号转成CAN报文的解析。

CAN总线有以下几种帧格式：

• 数据帧：携带从发送节点到接收节点的数据（注：下图以CAN_L电平高低示意）

• 远程帧：向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧（注：下图以CAN_L电平高低示意）

• 错误帧：节点检测到错误后发送错误帧

• 超载帧：在先行的和后续的数据帧（或者远程帧）之前附加一段延时，用于接收单元通知其未做好接收准备的帧

• 帧间隙：用于将数据帧或者远程帧与前面的帧分开

2. CAN通信机制和数据帧

CAN总线数据链路层实现了如下的CAN通信机制：

• 多主的基于优先级的总线访问
• 非破坏性的基于竞争的仲裁
• 远程数据请求
• 配置灵活性
• 错误检测
• 报文自动重发
• 临时与永久错误界定

仲裁机制：

• 退出仲裁后进入“只听”状态
• 在总线空闲时进行报文重发

可以通过CAN ID号进行报文仲裁，CAN ID号越小，报文优先级越高。实现该机制是由于总线支持“线与”机制，也就是显性位可以覆盖隐形位（0覆盖1）。

A节点ID为75 = 000 0100 1011bB节点ID为250 = 000 1111 1010b

C节点ID为1000 = 011 1110 1000b

在ABC三个节点ID仲裁阶段，C节点先退出仲裁，进入只听模式。然后B节点退出仲裁进入只听模式。所以A节点会先发报文，发完报文总线空闲的时候，B节点和C节点进行仲裁，B节点报文ID小于C节点报文ID，B会先发，C节点会最后发。注：标准帧优先级比扩展帧高

报文过滤机制：通过过滤器对接收的报文进行过滤

如果相关->接收；如果不相关->过滤

数据帧：

（注：下图以CAN_L电平高低示意）

SOF：帧起始

• 标识一个数据帧的开始，用于同步
• 一个显性位
• 只有在总线空闲期间节点才能够发送SOF

ID：唯一确定一条报文

• 表明报文的含义，可以包含报文的源地址和目标地址
• 确定报文的仲裁优先级，ID数值越小，优先级越高
• 标准帧11位，扩展帧29位

RTR：用于区别数据帧和远程帧

• 数据帧，RTR = 0
• 远程帧，RTR = 1
• 当RTR = 1为远程帧的时候，是不需要数据场的，远程帧的作用就是请求其他模块发包。
   

IDE位：用于区别标准帧和扩展帧

• 标准帧，IDE = 0 （11位ID）
• 扩展帧，IDE = 1（29位ID）

SRR位：只有扩展帧有SRR，表明在该位替代了标准帧中的RTR位

• 该位无实际意义
• SRR永远置1

r0、r1位:

• 两个保留位
• 当前置0

DLC位：

• 包含4位，表示数据场包含数据的字节数, CAN报文数据场最长为8字节
• DLC = 0-8
• DLC = 9 -15->DLC = 8

Data Field数据场：

• 具有0-8个字节长度，由DLC确定长度
• 包含CAN数据帧发送的内容

CRC：

用于进行CRC校验

DEL：CRC界定符

• 界定CRC序列
• 固定格式，1个隐形位
• CRC界定符之前进行位填充

ACK：

用来确定报文被至少一个节点正确接收

EOF：

• 表示数据帧接收
• 固定格式，7个连续的隐形位

ITM：

• 固定格式，3个连续的隐形位
• ITM之后进入总线空闲状态，此时节点可以发送报文

3. CAN错误检测

节点发送报文时要检测总线状态

• 只有总线空闲，节点才能发送报文。
• 在发送报文过程中进行“回读”，判断送出的位与回读的位是否一致。

错误检测类型：

1、位检测->位错误

• 检测到总线位状态与自身送出的位不同
• 仲裁或者ACK位期间送出“隐性”位除外
• 位检测范围一直到EOF结束

2、填充检测->填充错误

• 发送节点进行位填充，位填充编码是发送5个连续相同的极性位后，自动插入一个极性相反的的位。
• 接收节点清除位填充。
• 检测到违背位填充规则，也就是接收到6个连续相同极性位。
• 填充检测范围是在CRC鉴定符DEL之前

3、CRC检测->CRC错误

• 节点计算的CRC序列与接收到的CRC序列不同

4、格式检测->格式错误

• 固定格式位场（如CRC界定符、ACK界定符、帧结束等）含有一个或者更多非法位。

5、ACK检测->ACK错误

• 发送节点在ACK位期间未检测到“显性”位

发送节点会检测到：位错误、格式错误、ACK错误

接收节点会检测到：填充错误、格式错误、CRC错误

错误界定：

节点通过REC（接收错误计数器）和TEC（发送错误计数器）值，来实现节点错误状态的转换。

• 当接收错误产生时REC增加，正确接收到数据帧时，REC减少
• 在发送错误产生时TEC增加，正确发送数据帧，TEC减少

根据REC和TEC的值，主要有三种状态：主动错误、被动错误、Bus Off。

主动错误和被动错误的区别在于：

• 主动错误：检测到错误，立即主动发送错误标志，6个连续的显性位
• 被动错误：检测到错误，只能“被动地”等其他的节点报错，发送6个连续隐性位，（隐形位可能被其他节点的显性位覆盖），诱发接收节点发送错误标志，直到识别出其他节点主动报错。

错误帧格式：

1. 包括错误标志和错误界定符
2. 错误标志：主动错误6个显性位 被动错误6个隐性位

主动错误帧发送：

• 位错误、填充错误、格式错误或者ACK错误产生后->错误标志在下一位发送
• CRC错误->错误标志在ACK界定符后发送
• 错误帧发送后：总线空闲时重发出错的数据帧

4. 位定时和同步

一、位时间

由于CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，同一网络中的所有节点像串口异步通讯一样，节点间会使用约定好的波特率进行通讯。CAN还会使用“位同步”来对抗干扰、吸收误差。

位时间指的是CAN总线上1bit数据的时间，一个位时间包括：

一个位时间包含4个时间段，8-25个时间份额Time Quantum

同步段SS（SYNC SEG）：用于同步网络中各个节点，跳变沿如果发生在同步段，说明节点和通讯时序是同步的，固定1个Time quantum。

传播段PTS（PROP SEG）：用于补偿网络的物理延时时间，1-8个Time quantum

相位缓冲段1PES1（PHASE SEG1）：用于补偿节点间的晶振误差，允许通过重同步对该段加长，在这个时间段末端进行总线状态的采样（1 - 8tq）

相位缓冲段2PES2（PHASE SEG2）：用于补偿节点间的晶振误差，允许通过重同步对该段缩短（1 - 8tq）

二、同步

can的同步包括硬同步和重同步两种方式

同步规则：

• 一个位时间内只允许一种同步方式
• 任何一个“隐性”到“显性”的跳变都可用于同步
• “硬同步”发生在SOF，所有接收节点调整各自当前位的同步段，使其位于发送的SOF位内。只有在帧起始信号SOF时有用，无法确保后续位时序是否同步。
• “重同步”发生在一个帧的其他位场内，当跳变沿落在同步段之外。
• 在SOF到仲裁场有多个节点同时发送的情况下，发送节点对跳变沿不进行重同步。

硬同步：

也就是一帧CAN报文开始的SOF位的时候，总线上接收节点会进行一次硬同步，让所有接收节点调整各自当前位的同步段，调整的宽度有限。一帧数据后面位置产生相位偏移的时候，就需要使用重同步来重新同步。

某节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的SS段范围，会判断自己内部时序和总线不同步，该节点通过硬同步方式重新调整，把自己的SS段移到总线下降沿的部分，从而获得同步。

重同步

当跳变沿和同步段误差小于SJW（reSynchronization Jump Width；重新同步补偿宽度），重新同步会通过延长PTS1段或者缩短PTS2段，来保证采样点位置的正确；如限定SJW=5 Tq时，单词同步调整的时候不能增加或者减少超过5Tq的时间长度，若有需要，控制器会通过多次小幅度调整来实现同步）

位定时：

传播段延时时间确定

位定时参数确定：

5. 总结

CAN总线作为车载通信最重要的总线，与其很好抗干扰性、错误检测机制、不需要时钟线等机制都密切相关。学好CAN总线不仅仅要学好CAN的网络协议栈，对其底层通讯技术最好也要有所理解，这样才能明白CAN总线的本质。