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RA MCU CAN和CANFD IP介紹

CAN和CANFD協(xié)議簡(jiǎn)介（上）

2. CAN協(xié)議

2.2 協(xié)議層

前文講述了CAN的物理層標(biāo)準(zhǔn)，約定了電氣特性，以下介紹的協(xié)議層則規(guī)定了通訊邏輯。

2.2.1 幀的種類

通信是通過以下5種類型的幀進(jìn)行的。

? 數(shù)據(jù)幀

? 遙控幀

? 錯(cuò)誤幀

? 過載幀

? 幀間隔

在這些幀當(dāng)中，數(shù)據(jù)幀和遙控幀由用戶設(shè)定，其他的幀由CAN的硬件部分完成。

另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。標(biāo)準(zhǔn)格式有11位的ID，擴(kuò)展格式具有29位ID。

各種幀的用途如下表所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀把消息從發(fā)送單元傳到接收單元，是用戶使用的最基本的幀。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成。

(1) 幀起始：表示數(shù)據(jù)幀開始。

(2) 仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。

(3) 控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位。

(4) 數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)本身，可傳送0～8個(gè)字節(jié)。

(5) CRC段：檢查幀的傳送錯(cuò)誤的段。

(6) ACK段：正常接收確認(rèn)段。

(7) 幀結(jié)束：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。

2.2.3 遙控幀

接收單元向發(fā)送單元請(qǐng)求消息所用的幀。遙控幀由6 個(gè)段組成，也可以說是沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀。

(1) 幀起始（SOF）：表示幀的開始。

(2) 仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。請(qǐng)求具有同樣ID的數(shù)據(jù)幀。

(3) 控制段：表示所請(qǐng)求數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位。

(4) CRC段：檢查幀的傳送錯(cuò)誤的段。

(5) ACK段：正常接收確認(rèn)段。

(6) 幀結(jié)束：表示遙控幀結(jié)束。

關(guān)于遙控幀和數(shù)據(jù)幀：

? 數(shù)據(jù)幀和遙控幀有何不同

遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，仲裁段的RTR位為隱性電平。

沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過RTR位區(qū)別開來。

? 遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)長度碼該如何表示？

遙控幀的數(shù)據(jù)長度碼以所請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度碼表示。

? 沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀有何用途？

可用于各單元的定期連接確認(rèn)/應(yīng)答、或仲裁段本身帶有實(shí)質(zhì)性信息的情況下。

2.2.4 錯(cuò)誤幀

在收發(fā)信中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)用于通知錯(cuò)誤的幀。錯(cuò)誤幀由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤間隔符構(gòu)成，錯(cuò)誤幀的發(fā)送是由CAN的硬件部分來完成的。

(1) 錯(cuò)誤標(biāo)志：錯(cuò)誤標(biāo)志包括有效錯(cuò)誤標(biāo)志和無效錯(cuò)誤標(biāo)志兩種。

? 有效錯(cuò)誤標(biāo)志：6位顯性電平。

? 無效錯(cuò)誤標(biāo)志：6位隱性電平。

(2) 錯(cuò)誤間隔符：錯(cuò)誤間隔符由8位隱性電平構(gòu)成。

注

1. 有效錯(cuò)誤標(biāo)志：處于錯(cuò)誤有效態(tài)的單元檢出錯(cuò)誤時(shí)傳送的錯(cuò)誤標(biāo)志。

2. 無效錯(cuò)誤標(biāo)志：處于錯(cuò)誤無效態(tài)的單元檢出錯(cuò)誤時(shí)傳送的錯(cuò)誤標(biāo)志。

3. 錯(cuò)誤標(biāo)志的重合：由連接到總線上的各單元的錯(cuò)誤檢出時(shí)間不同，錯(cuò)誤標(biāo)志會(huì)發(fā)生重合，最長可延續(xù)到12位。

2.2.5 過載幀

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成準(zhǔn)備所用的幀。過載幀由過載標(biāo)志和過載間隔符構(gòu)成。

(1) 過載標(biāo)志：6位顯性電平。過載標(biāo)志的構(gòu)成與有效錯(cuò)誤標(biāo)志的構(gòu)成相同。

(2) 過載間隔符：8個(gè)隱性位。過載間隔符的構(gòu)成與錯(cuò)誤間隔符的構(gòu)成相同。

注

1. 過載幀的重合：與錯(cuò)誤標(biāo)志一樣依據(jù)發(fā)生時(shí)序不同過載標(biāo)志也會(huì)發(fā)生重合，最長可延遲到12位。

2.2.6 幀間隔

幀間隔用于分隔數(shù)據(jù)幀或遙控幀。數(shù)據(jù)幀或遙控幀前插入幀間隔可將本幀與前面發(fā)送的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）分開。但是，過載幀和錯(cuò)誤幀前不能插入幀間隔。

(1) 間隔：3位隱性電平。在“間隔”期檢測(cè)到顯性電平時(shí)，一定要發(fā)送過載幀。然而，在間隔期的第3位出現(xiàn)的顯性電平被認(rèn)為是SOF，此時(shí)不發(fā)送過載幀。

(2) 總線空閑：隱性電平，無長度限制（0位亦可）。本狀態(tài)為總線處于空閑中，要發(fā)送的單元可開始發(fā)送消息。

(3) 延遲傳送（發(fā)送暫時(shí)停止）：8個(gè)隱性電平。處于錯(cuò)誤無效態(tài)的單元在發(fā)送完一個(gè)消息后的幀間隔中必須包含的段。

2.2.7 優(yōu)先級(jí)的仲裁

在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得通信權(quán)。

多個(gè)單元同時(shí)開始傳送時(shí)，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始進(jìn)行仲裁。位電平第一次出現(xiàn)不同而且位電平為顯性的單元獲得通信權(quán)發(fā)送。仲裁失敗的單元在下一個(gè)位開始進(jìn)入接收狀態(tài)。

仲裁的過程如下圖所示：

(1) 數(shù)據(jù)幀和遙控幀的優(yōu)先級(jí)

具有同樣ID的數(shù)據(jù)幀和遙控幀在總線上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，仲裁段的最后一位（RTR）為顯性電平的數(shù)據(jù)幀具有優(yōu)先權(quán)，可繼續(xù)通信。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的優(yōu)先級(jí)

具有相同基本ID的標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀或遙控幀在總線上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位為顯性電平，具有更高的優(yōu)先權(quán)，可進(jìn)行發(fā)送。

2.2.8 錯(cuò)誤的種類

錯(cuò)誤共有5種。有時(shí)數(shù)種錯(cuò)誤同時(shí)發(fā)生。

? 位錯(cuò)誤

? 填充錯(cuò)誤

? CRC錯(cuò)誤

? 格式錯(cuò)誤

? ACK錯(cuò)誤

錯(cuò)誤的種類、錯(cuò)誤的內(nèi)容、出錯(cuò)的幀和檢出錯(cuò)誤的單元如下表所示。

2.2.9 位時(shí)序

一個(gè)位可分為4段。

? 同步段(SS: Synchronization Segment)

? 傳播時(shí)間段(PTS: Propagation Time Segment)

? 相位緩沖段1(PBS1: Phase Buffer Segment 1)

? 相位緩沖段2(PBS2: Phase Buffer Segment 2)

這些段由最小時(shí)間單位Tq(Time Quantum)構(gòu)成。

消息中的1位被分為4個(gè)段，每個(gè)段又由若干個(gè)Tq構(gòu)成，這稱為位時(shí)序。

消息中的1位由多少個(gè)Tq構(gòu)成、每個(gè)段又由多少個(gè)Tq構(gòu)成、這些是可以任意設(shè)定的。通過設(shè)定位時(shí)序，總線上數(shù)個(gè)單元可以以相同的時(shí)序?qū)ο⒉蓸?，可以設(shè)定采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)設(shè)置在PBS1的結(jié)束處，以此時(shí)檢測(cè)到的總線上的電平值作為該位的電平值。

各段的用途和Tq數(shù)如下表所示。

1位的構(gòu)成如下圖所示。

2.2.10 取得同步的方法

CAN 協(xié)議的通信方法為非歸零NRZ(Non-Return to Zero)方式。每個(gè)位上沒有開始或終了的同步信號(hào)。發(fā)送單元以與位時(shí)序同步的方式開始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收單元根據(jù)總線上電平的變化進(jìn)行同步接收信號(hào)。

但是，發(fā)送單元和接收單元存在的時(shí)鐘頻率誤差及傳送路徑上的（電纜、驅(qū)動(dòng)器等）相位延遲會(huì)引起同步偏差。因此接收單元通過強(qiáng)制同步、再同步的方法調(diào)整時(shí)序進(jìn)行接收。

2.2.11 強(qiáng)制同步

接收單元在總線空閑狀態(tài)檢出幀起始時(shí)進(jìn)行的同步調(diào)整。檢出從隱性電平到顯性電平的邊沿時(shí)被認(rèn)為是SS段，與SJW無關(guān)。

2.2.12 再同步

在接收過程中根據(jù)總線上的電平變化進(jìn)行的同步。

檢出邊沿（總線上的電平跳變）時(shí)，對(duì)照誤差值并且根據(jù)SJW值延長PBS1段，或縮短PBS2段，以配合同步。但如果發(fā)生了超出SJW值的誤差，按照SJW值作修正。

2.2.13 同步規(guī)則

強(qiáng)制同步和再同步遵從如下規(guī)則。

(1) 1 位中只進(jìn)行一次同步調(diào)整（兩次采樣點(diǎn)間）。

(2) 只有當(dāng)邊沿后的總線電平與邊沿前一個(gè)總線采樣值不同時(shí)，該沿才能用于同步。

(3) 一旦檢測(cè)到隱性電平到顯性電平的邊沿，如果滿足條件(1)、(2)須進(jìn)行同步。

(4) 幀間隔(“間隔”的第1位除去)中檢測(cè)到隱性電平到顯性電平的邊沿時(shí)，須進(jìn)行強(qiáng)制同步。

(5) 其他所有的隱性電平到顯性電平的邊沿，須進(jìn)行再同步。

(6) 發(fā)送單元觀測(cè)到自身輸出的顯性電平有延遲時(shí)不進(jìn)行再同步。

2.3 CANFD框架

CAN FD可以理解成CAN協(xié)議的升級(jí)版，只升級(jí)了協(xié)議，物理層未改變。

CAN FD協(xié)議引入了經(jīng)過調(diào)整的CAN數(shù)據(jù)幀，以實(shí)現(xiàn)額外的數(shù)據(jù)字節(jié)和靈活的比特率。

下面我們比較一個(gè)11位的傳統(tǒng)CAN幀與一個(gè)11位的CAN FD幀（同時(shí)也支持29位）：

下面我們一步一步地討論這些差異：

RTR與r1(RRS)：傳統(tǒng)CAN中使用了遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求Remote Transmission Request（RTR）來識(shí)別數(shù)據(jù)幀和相應(yīng)的遠(yuǎn)程幀。但在CAN FD中，不支持遠(yuǎn)程幀，遠(yuǎn)程請(qǐng)求替換（r1）始終是顯性（0）。

在CAN-FD幀中，在控制字段中添加了三個(gè)新位（FDF、BRS、ESI位）：

? 擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度 Extended Data Length （EDL）：隱性表示幀為CAN-FD，否則該位為顯性（稱為R0）在CAN 2.0幀中。在傳統(tǒng)CAN格式的幀中，所對(duì)應(yīng)傳輸?shù)氖俏籖0而不是EDL。

? 比特率切換 Bit Rate Switch（BRS）：指示是否啟用兩個(gè)比特率。如果是隱性，則比特率從仲裁階段的標(biāo)準(zhǔn)比特率切換到數(shù)據(jù)階段的預(yù)配置交替比特率。如果是顯性，則不切換比特率。

? 錯(cuò)誤狀態(tài)指示器 Error State Indicator（ESI）：表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，指示節(jié)點(diǎn)處于錯(cuò)誤活動(dòng)模式還是錯(cuò)誤被動(dòng)模式。

DLC：像在傳統(tǒng)CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。下表顯示了這兩種協(xié)議如何始終使用多達(dá)8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的DLC。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個(gè)值來表示所使用的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（12、16、20、24、32、48、64）。

CRC：傳統(tǒng)CAN中的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）為15位，而在CAN FD中為17位（最多16個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）或21位（20-64個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）。在傳統(tǒng)CAN中，CRC中可以包含0到3個(gè)填充位，而在CAN FD中，總是有四個(gè)固定填充位以提高通信可靠性。

總結(jié)起來，CAN和CANFD協(xié)議是一種常用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域的通信協(xié)議。CAN協(xié)議是一種高效可靠的串行通信協(xié)議，而CANFD協(xié)議在保持CAN協(xié)議基本特性的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度。這兩種協(xié)議都在車輛電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)各個(gè)電子設(shè)備之間的可靠通信。

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