CAN 简介

1. 目的
本文主要介绍一部分 CAN 协议层 。
2. CAN 简介
这里的内容参考的是 1991.9 的 2.0 版本的官方 CAN 规格书 。
2.1 概述
CAN (控制器局域网) 是一种串行通讯协议 ，传输速度可达 1Mbit/s 。总线由单一可双向信号传送的通道组成 ，但此通道的物理层在协议层中未定义 ，可使用诸如差分线 、光缆等实现通信 ，其是多主机控制 。
CAN 的地址范围由识别符定义 ，标准格式有 11 个识别符 ，扩展格式有 29 个识别符 。
总线有两种逻辑值 ："显性”和“隐性”。这两种同时传送时 ，总线传送的是 “显性”，通常我们用逻辑 0 代表 “显性”，逻辑 1 代表 “隐性”。
对于 CAN ，报文传输由以下 4 种帧类型表示和控制 ：
(1) 数据帧 ：将数据从发送器发至接收器 ，数据帧优先级高于远程帧
(2) 远程帧 ：发至总线 ，请求具有同一识别符的数据帧
(3) 错误帧 ：任何单元检测到错误就发出错误帧
(4) 过载帧 ：为前后的数据帧 / 远程帧之间提供一附加延时
2.2 数据帧

图 1 CAN 数据帧
如图 ，这是一帧数据帧 ，包含了帧起始 、仲裁域 、控制域 、数据域 、CRC 域 、应答域和帧结束 。
2.2.1 帧起始 (SOF)
由一个单独的“显性”位组成 。注意 ：只有总线空闲才允许发送此信号 。
2.2.2 仲裁域
仲裁域包括识别符和远程发送请求位 (RTR) 。
(1) 标准格式中 ：仲裁域由 11 位识别符和 RTR 位组成 。识别符位由 ID28~ID18 。如图2 。
(2) 扩展格式中 ：仲裁域包括 29 位识别符 、SRR 位 、IDE 位 RTR 位 。识别符由 ID28~ID0 。
如图 3 。
这些识别符中最高七位必须不能全是 “隐性”。
RTR 位为远程发送请求位 ，在数据帧里为 “显性”，远程帧里为 “隐性”。
SRR 位为替代远程请求位 ，是一个 “隐性”位 。代替标准帧 RTR 位 (标准帧优先于扩展帧) 。
IDE 位为识别符扩展位 ，在标准帧里为 “显性”(此时在控制域) ，在扩展帧里为 “隐性”。

图 2 标准帧的仲裁域和控制域

图 3 扩展帧的仲裁域和控制域
2.2.3 控制域
由 6 位组成 ，如图 3 ，DLC 为数据长度 。其余皆为 “显性”。
2.2.4 数据域
数据帧允许 0~8 Byte ，最小单位为 Byte 。
2.2.5 CRC 域
由 CRC 序列与 CRC 界定符组成 ，如图 4 。 CRC 序列 15 位 ，CRC 界定符是一单独的 “隐性”位 。

图 4 CRC 域
2.2.6 应答域 (ACK 域)
由 2 个位组成 ，分别为应答间隙 (ACK SLOT) 和应答界定符 (ACK DELIMITER) 。在应答域里 ，发送端发送两个 “隐性”位 。
当接收端接收到有效报文 ，接收端就会在应答间隙 (ACK SLOT) 期间向发送端发送一 “显性”位以示应答 (即发送 ACK 信号) 。

图 5 应答域
应答间隙 ：所有接收到匹配 CRC 序列的接收端会在应答间隙期间用一 “显性”的位写入发送端的 “隐性”位来做出应答 。
应答界定符 ：必定为一 “隐性”位 。
2.2.7 帧结束
由7个 “隐性”位组成 。
2.3 远程帧
远程帧由帧起始 、仲裁域 、控制域 、CRC 域 、应答域 、帧结尾 。
远程帧与数据帧不同之处在于 ：远程帧 RTR 位是 “隐性”的 ，且没有数据域故此数据长度代码 DLC 数值可为 0~8 ，因为其无意义 。
2.4 错误帧
由两个不同的域组成 ，第一个域是用不同节点提供的错误标志 (ERROR FLAG) 的叠加 。第二个域是错误界定符 ，如图 6 。

图 6 错误帧格式
为了正确终止错误帧 ，“错误被动”的节点要求总线至少有长度为 3 个位时间的总线空闲 。
有两种形式错误标志 ，如下 ：
(1) 主动错误标志 ：由 6 个连续的 “显性”位组成 。
(2) 被动错误标志 ：由 6 个连续的 “隐性”位组成 ，除非被其他节点 “显性”位重写 。
检测到错误条件的主动错误节点通过发送主动错误标志指示错误 ，错误标志的形式破坏了从帧起始到 CRC　界定符的位填充规则 ，或者破坏了 ACK 域或帧结尾场的固定形式 。所有其他节点由此检测到错误条件并同时其中一部分发送错误标志 。“显性”位的序列由此导致了个别节点发送的不同的错误标志叠加在一起 。这个序列的总长度最小为 6 位 ，最长为 12 位 。
检测到错误的被动错误节点尝试发送被动错误标志指示错误 。开始被动错误标志后 ，“被动错误”的节点等待 6 个相同极性的连续位 。当此 6 个相同的位被检测到 ，被动错误标志发送完成 。
错误界定符 ：包括 8 个 “隐性”位 。错误标志传送以后 ，节点就发送 “隐性”位并一直监视总线出现 “隐性”位 ，然后发送其他 7 个 “隐性”位 。
2.5 过载帧
由两个域组成 ：过载标志和过载界定符 。
有三种情况会引发过载标志传送 ：
(1) 接收端内部情况 (此接收端对下一个数据帧或远程帧要有一延时) 。
(2) 在间歇的第一和第二字节检测到一个 “显性”位 。
(3) 如果 CAN 节点在错误界定符或过载界定符的第 8 位 (最后一位) ，采样到一 “显性”位 ，节点会发送一个过载帧 ，错误计数器不增加 。
情况 1 引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇的第一个位时间 ，情况 2 和情况 3 引发的过载帧应起始于所检测到 “显性”位之后的位 。
过载标志 ：由 6 个 “显性”的位组成 。其所有形式与主动错误标志一样 。
过载界定符 ：与错误界定符一样 。

图 7 过载帧格式
2.6 帧间空间
数据帧 / 远程帧与先行帧 (无论那种帧类型) 的隔离是通过帧间空间实现的 。
帧间空间包括间歇 、总线空闲这两个域 。如果 “被动错误”的节点已作为前一报文的发送端 ，帧空间还包括了挂起传送的域 ，如图 8 和图 9 。

图 8 帧间空间 (无挂起传送)

图 9 帧间空间 (有挂起传送)
间歇 ：包括 3 个 “隐性”位 。间歇期间 ，所有节点不可传送数据帧或远程帧 (过载帧需注意第二种情况) 。如果有报文等待发送且节点在间歇第三位采集到 “显性”位 ，则此位被解释为帧的起始 。
总线空闲 ：总线空闲是阿金任意 。若在其他报文发送期间 ，有报文被挂起 ，则会在间歇之后第一位发送 。
挂起传送 ：在下一个报文开始传送或者总线空闲之前发出 8 个 “隐性”的位跟随在间歇的后面 。
2.7 仲裁与优先权
总线空闲时 ，任何节点都可以传送报文 ，任何节点都可以接收报文 (多播) ，具有较高优先权的报文可获得总线访问权 。(注意 ：由于有报文滤波 ，即对于识别符有掩码 ，)
仲裁即在多个节点同时传送报文时 ，针对总线访问冲突的解决方法 。仲裁期间 ，每一个节点都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较 ，电平相同 ，则这个单元可以继续发送 ，如果不一致 ，则该节点仲裁失败 ，必须退出发送状态 。
2.8 编码
位流编码 ：数据帧与远程帧的帧起始 、仲裁域 、控制域 、数据域 、CRC 序列 ，发送端只要检测到位流里有 5 个连续相同值的位 ，便自动在位流里插入一互补位 (即与连续相同值反相的逻辑电平) ，其余的 CRC 界定符 、 应答域和帧结尾还有错误帧和过载帧都不填充 。要注意 ：填充的位在解析时要去掉 。
2.9 错误处理
有以下五种错误类型 (不会相互排斥) ：
(1) 位错误 ：除了在仲裁域的填充位流期间 (即等仲裁域结束) 或应答域的应答间隙期间发送 “隐
性”位和发送被动错误标志期间 ，其余时间如果发送值与监视值不一致时 ，则此位时间检测到一个位错误 。
(2) 填充错误 ：如果需要位填充的信息中检测到连续 6 个相同的值 ，则出现填充错误 。
(3) CRC 错误 ：如果接收端计算的 CRC 序列与发送端发送的 CRC 序列不符合 ，发生 CRC 错误
(4) 形式错误 ：当一个固定形式的位域含有 1 或多个非法位，检测到形式错误
(5) 应答错误 ：只要应答域应答间隙不为 “显性”，检测到应答错误
2.9.1 故障界定
每个节点状态可能为以下三个状态 ：
(1) 错误主动 ：正常参与总线通讯并可发出主动错误标注
(2) 错误被动 ：可参与总线通讯 ，但只能发送被动错误标志 ，发送后 ，在下一次发送前处于等待
状态 (见挂起发送) 。
(3) 总线关闭 ：不允许对总线有任何影响
界定节点是哪种状态 ，用到了以下两种计数 ：
(1) 发送错误计数
(2) 接收错误计数
这两个按照以下规则改变 ：
(1) 接收端检测到一个错误 ，接收错误计数加一 。发送主动错误标志或过载标志期间的位错误 ，接
收错误计数器值不加一
(2) 错误标志发送后 ，接收端检测到第一位为 “显性”时 ，接收错误计数值加 8
(3) 发送端发送错误标志时 ，发送错误计数值加 8 ，以下为例外情况 ：
例外情况一 ：
发送端为 “被动错误”，并检测到应答错误 (注 ：此应答错误由检测不到“显性”应答和发送被动错误标志是检测不到“显性”位引起)
例外情况二 ：
发送端因为填充错误而发送错误标志 (注 ：此填充错误发生于仲裁期间 ，引起填充错误是由于
填充位位于 RTR 之前 ，并已经作为 “隐性”发送 ，但监视总线为 “显性”)
(4) 发送主动错误标志或过载标志时 ，如果发送端检测到位错误 ，发送错误计数加 8
(5) 发送主动错误标志或过载标志时 ，如果接收端检测到位错误 ，接收错误计数加 8
(6) 在发送主动错误标志 、被动错误标志或过载标志后 ，任何节点最多容许 7 个连续的 “显性”
位 。以下情况 ，每一发送端的发送错误计数加 8 ，每一接收端错误计数加 8 ：
当检测到第 14 个连续的 “显性”位之后 (在发生主动错误标志或过载标志的情况下)
被动错误标志之后检测到第 8 个连续的 “显性”之后
每一个补充的 8 个连续 “显性”位序列之后
(7) 报文传输成功 ，应答无错 ，帧结束无措 ，发送错误计数器减一 ，除非其为零
(8) 如果接收错误计数介于 1 和127 之间 ，成功接收到报文后 ，及时发送出应答 ，接收错误计
数减一 ，为零则继续为零 ，如果超过 127 ，则设置为一个在 119~127 间的一个值
(9) 发送 / 接收错误计数等于或大于 128 ，节点变为被动错误节点 。造成节点这种转变的错误条
件发出主动错误标志
(10) 发送错误计数等于或大于 256 ，节点为总线关闭
(11) 发送 / 接收错误计数小于 128 ，节点重新变为错误主动节点
(12) 总线监视到 128 次有 11 个连续 “隐性”位之后 ，总线关闭节点转为错误主动节点 ，错误
计数设为 0
2.10 位时间
标称比特率 ：标称比特率是理想发送端在没有重新同步的情况下每秒传输的位数。
标称位时间 ：= 1 / 标称比特率 ，即位的持续时间 ，如位时间是 0.2 μs ，则这个时间段内全是这个位所代表的电平 (全是 “隐性”或 “显性”)
可以将标称位时间视为划分为单独的非重叠时间段。 这些划分 ：
(1) 同步段 (SYNC_SEG) ：同步总线不同节点 ，这一段有个跳边沿
(2) 传播时间段 (PROP_SEG) ：补偿网络内物理延时时间 ，是总线上输入比较器延时和输出驱动器
延时综合的两倍
(3) 相位缓冲段 1 (PHASE_SEG1) ：用于补偿边沿阶段误差 ，可通过重新同步加长或缩短
(4) 相位缓冲段 2 (PHASE_SEG2) ：用于补偿边沿阶段误差 ，可通过重新同步加长或缩短

图 10 位时间
采样点 ：读总线电平并认为是每个位的值的一个时间点
信息处理时间 ：以采样点位起始时间段 ，采样点用于计算后续位的位电平
时间份额 ：派生于振荡器周期的固定时间单元 。存在一个可编程预比例因子 ，整体数值范围为 1~32 。时间份额 = m * 最小时间份额 (m 为预比例因子)
时间段长度 ：同步段为 1 个时间份额 ，传播段长度可设置为 1~8 个时间份额 ，相位缓冲段 1 长度可设置为 1~8 个时间份额 ，相位缓冲段 2 为相位缓冲段 1 和信息处理时间之间最大值 ；信息处理时间小于或等于 2 个时间份额 。即一个位时间总时间份额可设置为 8~25 的范围 。
2.11 同步
2.11.1 硬同步
硬同步后 ，接收端的内部位时间从同步段重新开始 ，即跳变沿处于重新开始的位时间同步段之内 。
2.11.2 重新同步
位时间相位误差 ：
一个沿的相位误差由相对于同步段的跳边沿出现的位置给出 ，以时间份额量度 。相位误差定义如下 ：
e=0 跳边沿处于同步段里
e>0 跳边沿处于同步段之后 ，采集点之前
e<0 跳边沿处于同步段之前 ，上一个采集点之后

                      图 11 接收端位定时与同步

(注 ：S 是同步段 ，P 是传播时间段 ，P1 是相位缓冲段 1 ，P2 是相位缓冲段 2)
重新同步结果 ，可能引起当前位相位缓冲段 1 增长或相位缓冲段 2 缩短 ，但这个增量有一个上限 ，就是由重新同步跳转宽度 （SJW）给出 。SJW 应设置在 1 和最小值 (4 和 相位缓冲段1中的最小值) 之间 。
当前位定时出现 e≠0 时 ，若相位误差不大于 SJW ，则
e>0 ，当前位时间的相位缓冲段 1 增加相位误差的绝对值个时间份额
e<0 ，当前位时间的相位缓冲段 2 减少相位误差的绝对值个时间份额
这里其实与硬同步的作用相同 。但若相位误差大于 SJW ，则增加或减少的时间份额就为 SJW 个 。
同步原则 ：
① 在一个位时间里只允许一个同步 。
② 仅当采集点之前监测到的值与紧跟沿之后的总线值不相符合时 ，才将沿用作与同步 。
③ 总线空闲期间 ，有一“隐形”转变到 “显性”的沿 ，无论何时 ，硬同步都会被执行 。
④ 如果仅将 “隐性”转变为 “显性”的沿用作与重新同步 ，则其他符合规则 1 和规则 2 的从 “隐性”转变为 “显性”的沿可用作为重新同步 。但有一例外情况 : 当发送一显性位的节点不执行重新同步而导致 “隐性”转变为 “显性”沿 ，此沿具有正相位误差 ，不能作为重新同步使用 。
4. 参考资料
百度文库 ：《CAN 20 A B 标准》
下载链接 ：
https://wenku.baidu.com/view/549e1e15d4d8d15abf234e37.html