摘要

該專題連載共分為“五”篇，這是第二篇。本文的主題是CAN（控制器局域網(wǎng)）中的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。讓我們先來看看通信的基本單元——“幀”，這對于理解CAN通信至關(guān)重要。

CAN定義了四種類型的幀，分別代表不同類型的信息： “數(shù)據(jù)幀”、“遠(yuǎn)程幀”、“錯誤幀”和“過載幀”。

本文將解釋 RFC 的結(jié)構(gòu)和用途，以及與之相關(guān)的通信仲裁。

點(diǎn)擊閱讀：車載網(wǎng)絡(luò)CAN（一）：CAN協(xié)議基礎(chǔ)知識

數(shù)據(jù)框

在CAN通信中，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸格式稱為數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀格式有兩種類型：“標(biāo)準(zhǔn)格式”和“擴(kuò)展格式”，它們在一些細(xì)節(jié)上有所不同。

首先，我們從基本標(biāo)準(zhǔn)格式開始。

標(biāo)準(zhǔn)格式

圖 1 顯示了標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)框結(jié)構(gòu)。

圖1、數(shù)據(jù)框（標(biāo)準(zhǔn)格式）

圖 1 中上方的線代表“隱性”，下方的線代表“顯性”。當(dāng)只有顯性基因有線時，它被固定為顯性；當(dāng)只有隱性基因有線時，它被固定為隱性。另外，當(dāng)兩側(cè)都有線時，顯性或隱性會根據(jù)所發(fā)送的數(shù)據(jù)而變化。

每個部分中的數(shù)字表示所用位的長度（位長度）。此外，當(dāng) CAN 總線沒有通信時，總線處于空閑狀態(tài)，稱為“總線空閑”。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，發(fā)送的第一部分處于顯性狀態(tài)，以指示幀的開始。這部分稱為“幀起始信號 (SOF) ”。接收節(jié)點(diǎn)可以通過 SOF 從隱性變?yōu)轱@性來同步，此時總線空閑。

在 SOF 之后，會發(fā)送一個“ ID（標(biāo)識符） ”。該 ID 用于識別數(shù)據(jù)內(nèi)容和發(fā)送節(jié)點(diǎn)，但它還有另一個用途：確定通信仲裁的優(yōu)先級。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，ID 為 11 位，但在稍后將介紹的擴(kuò)展格式中，ID 由一個 18 位的 ID 和一個擴(kuò)展 ID 組成。11 位長度的 ID 范圍為 0x0 到 0x7FF，因此可以識別 2048 種不同的類型。

ID 之后是“ RTR ”。RTR 代表“遠(yuǎn)程傳輸請求”（Remote Transmission Request），用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。對于數(shù)據(jù)幀，RTR 占主導(dǎo)地位。RTR 與 ID 一樣，也用于通信仲裁。

RTR 之后是“控制字段”，它由保留位 r1 和 r0（均為 1 位）以及 4 位“ DLC（數(shù)據(jù)長度代碼） ”組成。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，保留位 r1 和 r0 都被固定為顯性位。

數(shù)據(jù)長度控制 (DLC) 指示控制字段之后的“數(shù)據(jù)字段”中將發(fā)送多少字節(jié)的數(shù)據(jù)。DLC 的設(shè)置范圍為 0 到 8，數(shù)據(jù)字段可以以 1 字節(jié)為單位發(fā)送 0 到 8 字節(jié)（0 到 64 位）的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字段是要發(fā)送的數(shù)據(jù)部分，如上所述，數(shù)據(jù)長度由 DLC 設(shè)置。此外，在數(shù)據(jù)字段中，所有字節(jié)都從最高有效位 (MSB) 開始發(fā)送。可以為每個字節(jié)設(shè)置數(shù)據(jù)字段的長度，但設(shè)計人員可以決定如何分配數(shù)據(jù)。例如，分配 1 字節(jié)數(shù)據(jù)時，可以將其直接用作 1 個字節(jié)，也可以從 4 位中各取 1 位，還可以將剩余的 4 位一起使用，或者從 8 位中各取 1 位。

數(shù)據(jù)字段之后，會發(fā)送一個“ CRC（循環(huán)冗余校驗）序列”。該CRC序列長度為15位，發(fā)送節(jié)點(diǎn)使用發(fā)送的SOF、ID、控制字段和數(shù)據(jù)字段的值計算CRC序列，并將計算結(jié)果作為CRC序列發(fā)送。接收節(jié)點(diǎn)則使用接收到的SOF、ID、控制字段和數(shù)據(jù)字段的值，以與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相同的方式計算CRC序列，并將結(jié)果進(jìn)行比較，以確定接收是否成功。

在 CRC 序列之后，會發(fā)送一個“ CRC 分隔符”。該分隔符指示 CRC 序列的結(jié)束，其長度固定為 1 位。CRC 序列和 CRC 分隔符統(tǒng)稱為“ CRC 字段”。

接下來，會發(fā)送一個“確認(rèn)（ACK）時隙”。這個ACK時隙長度為 1 位，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在此時隙發(fā)送一個隱性信號。然而，如果接收節(jié)點(diǎn)已成功接收到數(shù)據(jù)直至 CRC 校驗位，則應(yīng)在 ACK 時隙的時序發(fā)送一個顯性信號作為確認(rèn)。在 CAN 總線中，如果同時發(fā)送顯性信號和隱性信號，則顯性信號優(yōu)先。因此，在通信正常進(jìn)行的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，ACK 時隙是顯性信號。但是，由于 ACK 時隙只有 1 位，因此無法用于確定 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的所有接收節(jié)點(diǎn)是否都已正確接收到數(shù)據(jù)。它只能表明存在一些節(jié)點(diǎn)已成功接收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀（直至 CRC 校驗位）。

在 ACK 時隙之后，會發(fā)送一個“ ACK 分隔符”。該分隔符指示 ACK 時隙的結(jié)束，固定為 1 位隱式值。與 CRC 字段一樣，ACK 時隙和 ACK 分隔符統(tǒng)稱為“ ACK 字段”。

數(shù)據(jù)幀結(jié)束時，會發(fā)送一個“幀結(jié)束符 (EOF) ”。EOF 固定為一個 7 位隱性位。前一篇文章“理解 CAN 協(xié)議的基礎(chǔ)知識”中解釋的“位填充規(guī)則”適用于從幀結(jié)束符 (SOF) 到 CRC 序列結(jié)束符之間的所有數(shù)據(jù)，因此在總線空閑或到達(dá) EOF 時不適用。

數(shù)據(jù)幀的范圍從幀首 (SOF) 到幀尾 (EOF)，但在圖 1 中， EOF 末尾有一個“ ITM（中斷） ”的標(biāo)記。此 ITM 不包含在數(shù)據(jù)幀中。ITM 固定為一個 3 位隱性位，總線在 ITM 結(jié)束后進(jìn)入空閑狀態(tài)。在 CAN 總線使用的“載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA) ”機(jī)制中，每個節(jié)點(diǎn)只有在總線處于空閑狀態(tài)時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，但在下一篇文章將要解釋的“過載幀”中，這是唯一可以在 ITM 期間發(fā)送的幀。

擴(kuò)展格式

接下來，我們將解釋“擴(kuò)展格式”的結(jié)構(gòu)，　這是數(shù)據(jù)框的另一種格式。

擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)框結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。與標(biāo)準(zhǔn)格式相比，您應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn) ID 和 RTR 之間的差異。接下來，我們將重點(diǎn)介紹這些差異。

圖2、數(shù)據(jù)框（擴(kuò)展格式）

標(biāo)準(zhǔn)格式中的 ID在擴(kuò)展格式中稱為“基本 ID ”，長度為 11 位，這部分與標(biāo)準(zhǔn)格式中的相同。

基本 ID 之后是“ SRR（替代遠(yuǎn)程請求位） ”，它固定為 1 位隱性位。

在 SRR 之后，會發(fā)送一個“ IDE（標(biāo)識符擴(kuò)展位） ”，該擴(kuò)展位也被固定為 1 位隱性位。

擴(kuò)展 ID 為 18 位，在 IDE 之后發(fā)送。基本 ID 和擴(kuò)展 ID 共同構(gòu)成 29 位長度的 ID。29 位擴(kuò)展格式 ID 的范圍為 0x0 到 0x1FFFFFFF，因此可以使用 536870912 種類型（約 5.4 億種類型）。它主要用于 SAE J1939 標(biāo)準(zhǔn)。

遠(yuǎn)程幀

接下來，我們將介紹遠(yuǎn)程幀。

遠(yuǎn)程幀用于請求數(shù)據(jù)幀，其基本結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀相同，只是缺少數(shù)據(jù)字段（或 DLC 設(shè)置為 0 且數(shù)據(jù)字段為 0 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀）（圖 3）。

遠(yuǎn)程幀的ID設(shè)置所請求數(shù)據(jù)幀的ID，遠(yuǎn)程幀的DLC設(shè)置所請求數(shù)據(jù)幀的DLC。遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀的區(qū)別在于，遠(yuǎn)程幀的RTR是固定的，且為隱性。這一區(qū)別使得我們可以利用RTR來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。

圖3、遠(yuǎn)程框架

數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀

CAN 總線的基本通信方法是：需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以數(shù)據(jù)幀進(jìn)行響應(yīng)。遠(yuǎn)程幀請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀則返回響應(yīng)請求的數(shù)據(jù)（圖 4）。

圖4、數(shù)據(jù)框和遠(yuǎn)程框

使用這種方法時，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的微型計算機(jī)資源不會被發(fā)送和接收占用，資源僅在必要時使用，從而降低總線占用率。但是，當(dāng)頻繁交換數(shù)據(jù)時，需要的遠(yuǎn)程幀數(shù)與所需數(shù)據(jù)幀數(shù)相同，這實際上可能會增加總線占用率。

因此，隨著節(jié)點(diǎn)間信息交換量的因控制的日益復(fù)雜而急劇增加，一種不同于傳統(tǒng)通信方式的新通信方式應(yīng)運(yùn)而生。

下面，我們將探討這種“與傳統(tǒng)方法不同的方法”。

例如，如果使用一個系統(tǒng)，其中每個節(jié)點(diǎn)都可以自由發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而需要數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)可以自由接收數(shù)據(jù)幀，則節(jié)點(diǎn)之間的信息交換可以僅使用數(shù)據(jù)幀來實現(xiàn)，而無需使用遠(yuǎn)程幀。

圖5、僅傳輸數(shù)據(jù)幀

遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀的交換

“點(diǎn)餐后才上菜的餐廳”

然后，每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀的方式如下：

“傳送帶壽司”

換句話說，每個節(jié)點(diǎn)在需要時都會接收傳送帶上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。

溝通調(diào)解

CSMA/CA（用于 CAN）的設(shè)計目的是防止總線使用期間其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。

然而，實際上不可能阻止多個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行傳輸，因此需要通信仲裁。

在 CAN 中，圖 6 所示的 ID 和 RTR 用于通信仲裁（這里我們將以標(biāo)準(zhǔn)格式為例進(jìn)行解釋）。

圖6、溝通調(diào)解

現(xiàn)在讓我們來看看溝通調(diào)解是如何實際進(jìn)行的。

圖 7 顯示了一個數(shù)據(jù)幀同時從 ID 為 0x653 和 0x65B 的兩個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的情況。

圖7、溝通調(diào)解示例

當(dāng)數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送時，來自多個節(jié)點(diǎn)的起始位置相同。SOF 數(shù)據(jù)幀首先發(fā)送，但它被固定為 1 位顯性狀態(tài)，總線狀態(tài)成為顯性狀態(tài)。

每個節(jié)點(diǎn)都會監(jiān)控并比較自己發(fā)送的內(nèi)容與總線狀態(tài)，但在 SOF 中，它會判斷自己發(fā)送的內(nèi)容保持不變，并繼續(xù)傳輸。

接下來，ID 會一次傳輸一位，但如果多個節(jié)點(diǎn)的傳輸位相同，例如，如果多個節(jié)點(diǎn)傳輸隱性位，則總線變?yōu)殡[性，傳輸?shù)膬?nèi)容保持不變。

當(dāng)不同節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送顯性和隱性信號時，顯性信號優(yōu)先，總線狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)。在這種情況下，發(fā)送隱性信號的節(jié)點(diǎn)會檢測到自身信號與總線狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致通信仲裁失敗，并停止發(fā)送信號。

因此，如果多個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行傳輸，則在其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行弱傳輸時，傳輸主導(dǎo)信號的節(jié)點(diǎn)將贏得通信仲裁，因此優(yōu)先級最高的 ID 為 0x0，ID 值越小，優(yōu)先級越高。

設(shè)計者可以像在數(shù)據(jù)框中分配數(shù)據(jù)字段一樣自由地分配 ID。但是，必須考慮整個網(wǎng)絡(luò)，例如，在通信仲裁期間，為優(yōu)先級更高的項目分配較小的 ID 值。

基本上，通信仲裁僅使用ID即可完成，那么為什么還要使用RTR進(jìn)行通信仲裁呢？這是因為如果同時發(fā)送了具有相同ID的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，僅使用ID無法進(jìn)行仲裁。此時，通信仲裁不僅使用ID，還使用RTR，但由于RTR在數(shù)據(jù)幀中是顯性幀，在遠(yuǎn)程幀中是隱性幀，因此數(shù)據(jù)幀優(yōu)先。

下一篇文章，我將講解剩下的兩個幀：“過載幀”和“錯誤幀”，以及錯誤處理。更多內(nèi)容，關(guān)注牛喀網(wǎng)，學(xué)習(xí)更多汽車科技。有興趣的朋友，可以添加牛小喀微信：NewCarRen，加入專家社群參與討論。

（添加微信號NewCarRen咨詢）