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RA MCU CAN和CANFD IP介紹

CAN和CANFD協(xié)議簡介（上）

2. CAN協(xié)議

2.2 協(xié)議層

前文講述了CAN的物理層標準，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種類型的幀進行的。

? 數(shù)據(jù)幀

? 遙控幀

? 錯誤幀

? 過載幀

? 幀間隔

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

另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有11位的ID，擴展格式具有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個段構成。

(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個字節(jié)。

(5) CRC段：檢查幀的傳送錯誤的段。

(6) ACK段：正常接收確認段。

(7) 幀結束：表示數(shù)據(jù)幀結束。

2.2.3 遙控幀

接收單元向發(fā)送單元請求消息所用的幀。遙控幀由6 個段組成，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)先級的段。請求具有同樣ID的數(shù)據(jù)幀。

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

(4) CRC段：檢查幀的傳送錯誤的段。

(5) ACK段：正常接收確認段。

(6) 幀結束：表示遙控幀結束。

關于遙控幀和數(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/應答、或仲裁段本身帶有實質(zhì)性信息的情況下。

2.2.4 錯誤幀

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

(1) 錯誤標志：錯誤標志包括有效錯誤標志和無效錯誤標志兩種。

? 有效錯誤標志：6位顯性電平。

? 無效錯誤標志：6位隱性電平。

(2) 錯誤間隔符：錯誤間隔符由8位隱性電平構成。

注

1. 有效錯誤標志：處于錯誤有效態(tài)的單元檢出錯誤時傳送的錯誤標志。

2. 無效錯誤標志：處于錯誤無效態(tài)的單元檢出錯誤時傳送的錯誤標志。

3. 錯誤標志的重合：由連接到總線上的各單元的錯誤檢出時間不同，錯誤標志會發(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備所用的幀。過載幀由過載標志和過載間隔符構成。

(1) 過載標志：6位顯性電平。過載標志的構成與有效錯誤標志的構成相同。

(2) 過載間隔符：8個隱性位。過載間隔符的構成與錯誤間隔符的構成相同。

注

1. 過載幀的重合：與錯誤標志一樣依據(jù)發(fā)生時序不同過載標志也會發(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、錯誤幀、過載幀）分開。但是，過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。

(1) 間隔：3位隱性電平。在“間隔”期檢測到顯性電平時，一定要發(fā)送過載幀。然而，在間隔期的第3位出現(xiàn)的顯性電平被認為是SOF，此時不發(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)送暫時停止）：8個隱性電平。處于錯誤無效態(tài)的單元在發(fā)送完一個消息后的幀間隔中必須包含的段。

2.2.7 優(yōu)先級的仲裁

在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得通信權。

多個單元同時開始傳送時，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始進行仲裁。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發(fā)送。仲裁失敗的單元在下一個位開始進入接收狀態(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

具有同樣ID的數(shù)據(jù)幀和遙控幀在總線上競爭時，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，可繼續(xù)通信。

(2) 標準格式和擴展格式的優(yōu)先級

具有相同基本ID的標準格式與擴展格式的數(shù)據(jù)幀或遙控幀在總線上競爭時，由于標準格式的RTR位為顯性電平，具有更高的優(yōu)先權，可進行發(fā)送。

2.2.8 錯誤的種類

錯誤共有5種。有時數(shù)種錯誤同時發(fā)生。

? 位錯誤

? 填充錯誤

? CRC錯誤

? 格式錯誤

? ACK錯誤

錯誤的種類、錯誤的內(nèi)容、出錯的幀和檢出錯誤的單元如下表所示。

2.2.9 位時序

一個位可分為4段。

? 同步段(SS: Synchronization Segment)

? 傳播時間段(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)

這些段由最小時間單位Tq(Time Quantum)構成。

消息中的1位被分為4個段，每個段又由若干個Tq構成，這稱為位時序。

消息中的1位由多少個Tq構成、每個段又由多少個Tq構成、這些是可以任意設定的。通過設定位時序，總線上數(shù)個單元可以以相同的時序?qū)ο⒉蓸?，可以設定采樣點。采樣點設置在PBS1的結束處，以此時檢測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。每個位上沒有開始或終了的同步信號。發(fā)送單元以與位時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行同步接收信號。

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

2.2.11 強制同步

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

2.2.12 再同步

在接收過程中根據(jù)總線上的電平變化進行的同步。

檢出邊沿（總線上的電平跳變）時，對照誤差值并且根據(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

強制同步和再同步遵從如下規(guī)則。

(1) 1 位中只進行一次同步調(diào)整（兩次采樣點間）。

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

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

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

(5) 其他所有的隱性電平到顯性電平的邊沿，須進行再同步。

(6) 發(fā)送單元觀測到自身輸出的顯性電平有延遲時不進行再同步。

2.3 CANFD框架

CAN FD可以理解成CAN協(xié)議的升級版，只升級了協(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11位的傳統(tǒng)CAN幀與一個11位的CAN FD幀（同時也支持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中使用了遠程傳輸請求Remote Transmission Request（RTR）來識別數(shù)據(jù)幀和相應的遠程幀。但在CAN FD中，不支持遠程幀，遠程請求替換（r1）始終是顯性（0）。

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

? 擴展數(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，所對應傳輸?shù)氖俏籖0而不是EDL。

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

? 錯誤狀態(tài)指示器 Error State Indicator（ESI）：表示發(fā)送節(jié)點狀態(tài)，指示節(jié)點處于錯誤活動模式還是錯誤被動模式。

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8個數(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（CRC）為15位，而在CAN FD中為17位（最多16個數(shù)據(jù)字節(jié)）或21位（20-64個數(shù)據(jù)字節(jié)）。在傳統(tǒng)CAN中，CRC中可以包含0到3個填充位，而在CAN FD中，總是有四個固定填充位以提高通信可靠性。

總結起來，CAN和CANFD協(xié)議是一種常用于汽車和工業(yè)領域的通信協(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)議基本特性的基礎上增強了數(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，實現(xiàn)了車內(nèi)各個電子設備之間的可靠通信。

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