SylixOSCAN總線報(bào)文淺析-四川平武建站

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SylixOSCAN總線報(bào)文淺析

CAN的報(bào)文格式
在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。
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在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。
控制場包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro)，為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。
應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。
報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。
如圖11所示，具體某一位或某幾位下面會(huì)詳細(xì)介紹。
圖11 CAN總線報(bào)文結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)幀是使用最多的幀，結(jié)構(gòu)上由7段組成，其中根據(jù)仲裁段ID碼長度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀（CAN2.0A）和擴(kuò)展幀（CAN2.0B）。
數(shù)據(jù)幀是由：幀起始，仲裁斷，控制端，數(shù)據(jù)段，CRC段，ACK段和幀結(jié)束構(gòu)成。
如圖21所示（具體的幀結(jié)構(gòu)下面會(huì)詳細(xì)介紹）。
圖2–1數(shù)據(jù)幀類型及結(jié)構(gòu)
幀起始和幀結(jié)束
幀起始：由單個(gè)顯性位組成，總線空閑時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他接收節(jié)點(diǎn)同步于該幀起始位。
幀結(jié)束：由7個(gè)連續(xù)的隱形位組成。
（注：顯性電平和隱性電平是相對(duì)于CAN_H和CAN_L而言的差分信號(hào)電平，并非TTL電平上的高低電平，需要注意）如圖2-2所示。

圖2–2幀起始和幀結(jié)束
仲裁段
CAN-bus是如何解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，即總線競爭的問題？該問題由仲裁段給出答案。
CAN-bus并沒有規(guī)定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，但通過仲裁段幀ID規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)版本不同，幀ID分為11位和29位兩種。如圖23所示

圖2–3數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
如圖24所示CAN控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線的電平是否與發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)電平相同，如果不同，則停止發(fā)送并做其他處理。
圖2–4仲裁處理
假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B和C都發(fā)送相同格式相同類型的幀，如標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀，它們競爭總線的過程是（如圖16所示）：
圖2–5仲裁機(jī)制
從該分析過程得出結(jié)論是：幀ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高；
對(duì)于同為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀、標(biāo)準(zhǔn)格式遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展格式遠(yuǎn)程幀的情況同理
控制段
控制段共6位，標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由擴(kuò)展幀標(biāo)志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴(kuò)展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成如圖17所示。
圖2–6數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)段
一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為0~8個(gè)字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CAN-bus實(shí)時(shí)性很高，非常適合汽車和工控應(yīng)用場合如圖27所示。
圖2–7數(shù)據(jù)段
數(shù)據(jù)量小，發(fā)送和接收時(shí)間短，實(shí)時(shí)性高，被干擾的概率小，抗干擾能力強(qiáng)。
CRC段
CAN-bus使用CRC校驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯(cuò)，CRC校驗(yàn)值存放于CRC段。 CRC校驗(yàn)段由15位CRC值和1位CRC界定符構(gòu)成如圖28所示。
圖2–8CRC段
ACK段
當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平如圖29所示。
圖2–9 ACK段
遠(yuǎn)程幀
與數(shù)據(jù)幀相比，遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)上無數(shù)據(jù)段，由6個(gè)段組成，同理分為標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，且RTR位為1（隱性電平）如圖31所示。
圖3–1遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)
如下圖所示由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀的RTR位為隱性電平。
所以幀格式和幀ID都相同情況下，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)比遠(yuǎn)程幀優(yōu)先級(jí)高如圖32所示：
圖3–2數(shù)據(jù)幀于遠(yuǎn)程幀仲裁機(jī)制

圖3–3數(shù)據(jù)幀遠(yuǎn)程幀比較
數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀的區(qū)別如圖33所示。
錯(cuò)誤幀
盡管CAN-bus是可靠性很高的總線，但依然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤；CAN-bus的錯(cuò)誤類型共有5種（如圖41所示）。
圖4–1錯(cuò)誤幀類型
當(dāng)出現(xiàn)5種錯(cuò)誤類型之一時(shí)，發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀的結(jié)構(gòu)如下，其中錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)分為主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)如圖42所示。
圖4–2錯(cuò)誤幀電平結(jié)構(gòu)
為防止自身由于某些原因?qū)е聼o法正常接收的節(jié)點(diǎn)一直發(fā)送錯(cuò)誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN-bus規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及其行為如圖43所示。
圖4–3錯(cuò)誤處理機(jī)制
（注：這些錯(cuò)誤處理的機(jī)制是由硬件自主完成的這樣做的目的就是只要CAN在收到數(shù)據(jù)肯定是正確的數(shù)據(jù)）。
過載幀與幀間隔
過載幀
當(dāng)某個(gè)接收節(jié)點(diǎn)沒有做好接收下一幀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)，將發(fā)送過載幀以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)；過載幀由過載標(biāo)志和過載幀界定符組成如所示圖51。
圖5–1過載幀結(jié)構(gòu)
由于存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)過載且過載幀發(fā)送有時(shí)間差問題，可能出現(xiàn)過載標(biāo)志疊加后超過6個(gè)位的現(xiàn)象如所示圖52。
圖5–2過載幀具體結(jié)構(gòu)
幀間隔
幀間隔用于將數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀和他們之前的幀分離開，但過載幀和錯(cuò)誤幀前面不會(huì)插入幀間隔。
幀間隔過后，如果無節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀，則總線進(jìn)入空閑。
幀間隔過后，如果被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)要發(fā)送幀，則先發(fā)送8個(gè)隱性電平的傳輸延遲，再發(fā)送幀。
CAN總線發(fā)送總流程
CAN-bus整個(gè)鏈路層處理數(shù)據(jù)的流程是如圖61所示：
圖6–1CAN總線發(fā)送總流程
參考資料
《項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)--CAN-BUS現(xiàn)場總線基礎(chǔ)教程----周立功，黃曉清》。
《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用第二版–清華大學(xué)出版社》。