車載網絡CAN（二）：CAN通信的數據傳輸機制
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）中的數據傳輸機制。讓我們先來看看通信的基本單元——“幀”，這對于理解CAN通信至關重要。
CAN定義了四種類型的幀，分別代表不同類型的信息： “數據幀”、“遠程幀”、“錯誤幀”和“過載幀”。
本文將解釋 RFC 的結構和用途，以及與之相關的通信仲裁。
點擊閱讀：車載網絡CAN（一）：CAN協議基礎知識
數據框
在CAN通信中，用于發送數據的傳輸格式稱為數據幀。數據幀格式有兩種類型：“標準格式”和“擴展格式”，它們在一些細節上有所不同。
首先，我們從基本標準格式開始。
標準格式
圖 1 顯示了標準格式的數據框結構。
圖1、數據框（標準格式）
圖 1 中上方的線代表“隱性”，下方的線代表“顯性”。當只有顯性基因有線時，它被固定為顯性；當只有隱性基因有線時，它被固定為隱性。另外，當兩側都有線時，顯性或隱性會根據所發送的數據而變化。
每個部分中的數字表示所用位的長度（位長度）。此外，當 CAN 總線沒有通信時，總線處于空閑狀態，稱為“總線空閑”。
當節點發送數據幀時，發送的第一部分處于顯性狀態，以指示幀的開始。這部分稱為“幀起始信號 (SOF) ”。接收節點可以通過 SOF 從隱性變為顯性來同步，此時總線空閑。
在 SOF 之后，會發送一個“ ID（標識符） ”。該 ID 用于識別數據內容和發送節點，但它還有另一個用途：確定通信仲裁的優先級。在標準格式中，ID 為 11 位，但在稍后將介紹的擴展格式中，ID 由一個 18 位的 ID 和一個擴展 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“遠程傳輸請求”（Remote Transmission Request），用于區分數據幀和遠程幀。對于數據幀，RTR 占主導地位。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（數據長度代碼） ”組成。在標準格式中，保留位 r1 和 r0 都被固定為顯性位。
數據長度控制 (DLC) 指示控制字段之后的“數據字段”中將發送多少字節的數據。DLC 的設置范圍為 0 到 8，數據字段可以以 1 字節為單位發送 0 到 8 字節（0 到 64 位）的數據。數據字段是要發送的數據部分，如上所述，數據長度由 DLC 設置。此外，在數據字段中，所有字節都從最高有效位 (MSB) 開始發送。可以為每個字節設置數據字段的長度，但設計人員可以決定如何分配數據。例如，分配 1 字節數據時，可以將其直接用作 1 個字節，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。
數據字段之后，會發送一個“ CRC（循環冗余校驗）序列”。該CRC序列長度為15位，發送節點使用發送的SOF、ID、控制字段和數據字段的值計算CRC序列，并將計算結果作為CRC序列發送。接收節點則使用接收到的SOF、ID、控制字段和數據字段的值，以與發送節點相同的方式計算CRC序列，并將結果進行比較，以確定接收是否成功。
在 CRC 序列之后，會發送一個“ CRC 分隔符”。該分隔符指示 CRC 序列的結束，其長度固定為 1 位。CRC 序列和 CRC 分隔符統稱為“ CRC 字段”。
接下來，會發送一個“確認（ACK）時隙”。這個ACK時隙長度為 1 位，發送節點在此時隙發送一個隱性信號。然而，如果接收節點已成功接收到數據直至 CRC 校驗位，則應在 ACK 時隙的時序發送一個顯性信號作為確認。在 CAN 總線中，如果同時發送顯性信號和隱性信號，則顯性信號優先。因此，在通信正常進行的 CAN 網絡中，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 網絡上的所有接收節點是否都已正確接收到數據。它只能表明存在一些節點已成功接收到發送節點發送的數據幀（直至 CRC 校驗位）。
在 ACK 時隙之后，會發送一個“ ACK 分隔符”。該分隔符指示 ACK 時隙的結束，固定為 1 位隱式值。與 CRC 字段一樣，ACK 時隙和 ACK 分隔符統稱為“ ACK 字段”。
數據幀結束時，會發送一個“幀結束符 (EOF) ”。EOF 固定為一個 7 位隱性位。前一篇文章“理解 CAN 協議的基礎知識”中解釋的“位填充規則”適用于從幀結束符 (SOF) 到 CRC 序列結束符之間的所有數據，因此在總線空閑或到達 EOF 時不適用。
數據幀的范圍從幀首 (SOF) 到幀尾 (EOF)，但在圖 1 中， EOF 末尾有一個“ ITM（中斷） ”的標記。此 ITM 不包含在數據幀中。ITM 固定為一個 3 位隱性位，總線在 ITM 結束后進入空閑狀態。在 CAN 總線使用的“載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA) ”機制中，每個節點只有在總線處于空閑狀態時才能發送數據，但在下一篇文章將要解釋的“過載幀”中，這是唯一可以在 ITM 期間發送的幀。
擴展格式
接下來，我們將解釋“擴展格式”的結構， 這是數據框的另一種格式。
擴展格式的數據框結構如圖 2 所示。與標準格式相比，您應該能夠發現 ID 和 RTR 之間的差異。接下來，我們將重點介紹這些差異。
圖2、數據框（擴展格式）
標準格式中的 ID在擴展格式中稱為“基本 ID ”，長度為 11 位，這部分與標準格式中的相同。
基本 ID 之后是“ SRR（替代遠程請求位） ”，它固定為 1 位隱性位。
在 SRR 之后，會發送一個“ IDE（標識符擴展位） ”，該擴展位也被固定為 1 位隱性位。
擴展 ID 為 18 位，在 IDE 之后發送。基本 ID 和擴展 ID 共同構成 29 位長度的 ID。29 位擴展格式 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 標準。
遠程幀
接下來，我們將介紹遠程幀。
遠程幀用于請求數據幀，其基本結構與數據幀相同，只是缺少數據字段（或 DLC 設置為 0 且數據字段為 0 字節的數據幀）（圖 3）。
遠程幀的ID設置所請求數據幀的ID，遠程幀的DLC設置所請求數據幀的DLC。遠程幀與數據幀的區別在于，遠程幀的RTR是固定的，且為隱性。這一區別使得我們可以利用RTR來區分數據幀和遠程幀。
圖3、遠程框架
數據幀和遠程幀
CAN 總線的基本通信方法是：需要數據的節點發送遠程幀，相應的節點以數據幀進行響應。遠程幀請求數據，數據幀則返回響應請求的數據（圖 4）。
圖4、數據框和遠程框
使用這種方法時，節點內的微型計算機資源不會被發送和接收占用，資源僅在必要時使用，從而降低總線占用率。但是，當頻繁交換數據時，需要的遠程幀數與所需數據幀數相同，這實際上可能會增加總線占用率。
因此，隨著節點間信息交換量的因控制的日益復雜而急劇增加，一種不同于傳統通信方式的新通信方式應運而生。
下面，我們將探討這種“與傳統方法不同的方法”。
例如，如果使用一個系統，其中每個節點都可以自由發送數據幀，而需要數據幀的節點可以自由接收數據幀，則節點之間的信息交換可以僅使用數據幀來實現，而無需使用遠程幀。
圖5、僅傳輸數據幀
遠程幀和數據幀的交換
“點餐后才上菜的餐廳”
然后，每個節點發送和接收數據幀的方式如下：
“傳送帶壽司”
換句話說，每個節點在需要時都會接收傳送帶上傳輸的數據幀。
溝通調解
CSMA/CA（用于 CAN）的設計目的是防止總線使用期間其他節點發送數據幀或遠程幀。
然而，實際上不可能阻止多個節點同時進行傳輸，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（這里我們將以標準格式為例進行解釋）。
圖6、溝通調解
現在讓我們來看看溝通調解是如何實際進行的。
圖 7 顯示了一個數據幀同時從 ID 為 0x653 和 0x65B 的兩個節點發送的情況。
圖7、溝通調解示例
當數據幀同時發送時，來自多個節點的起始位置相同。SOF 數據幀首先發送，但它被固定為 1 位顯性狀態，總線狀態成為顯性狀態。
每個節點都會監控并比較自己發送的內容與總線狀態，但在 SOF 中，它會判斷自己發送的內容保持不變，并繼續傳輸。
接下來，ID 會一次傳輸一位，但如果多個節點的傳輸位相同，例如，如果多個節點傳輸隱性位，則總線變為隱性，傳輸的內容保持不變。
當不同節點同時發送顯性和隱性信號時，顯性信號優先，總線狀態變為顯性狀態。在這種情況下，發送隱性信號的節點會檢測到自身信號與總線狀態存在差異，導致通信仲裁失敗，并停止發送信號。
因此，如果多個節點同時進行傳輸，則在其他節點進行弱傳輸時，傳輸主導信號的節點將贏得通信仲裁，因此優先級最高的 ID 為 0x0，ID 值越小，優先級越高。
設計者可以像在數據框中分配數據字段一樣自由地分配 ID。但是，必須考慮整個網絡，例如，在通信仲裁期間，為優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進行通信仲裁呢？這是因為如果同時發送了具有相同ID的數據幀和遠程幀，僅使用ID無法進行仲裁。此時，通信仲裁不僅使用ID，還使用RTR，但由于RTR在數據幀中是顯性幀，在遠程幀中是隱性幀，因此數據幀優先。
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。更多內容，關注牛喀網，學習更多汽車科技。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）
相關文章
