CAN通信学习笔记

帧格式

1. 数据帧 (Data Frame - 携带数据)

• 目的： 发送实际数据（如车速、温度、开关状态等）。

• 结构 (标准帧为例)：

  • SOF (Start of Frame - 1位 - 显性0): 标志帧的开始，同步所有节点。

  • 仲裁场 (Arbitration Field):

    • Identifier (ID - 11位): 消息的唯一标识符。值越小，优先级越高。决定哪个节点在总线冲突时赢得发送权（仲裁）。

    • RTR (Remote Transmission Request - 1位 - 显性0): 固定为显性0，表示这是数据帧 (与远程帧区分)。

  • 控制场 (Control Field - 6位):

    • IDE (Identifier Extension - 1位 - 显性0): 固定为显性0，表示这是标准帧 (11位ID)。

    • 保留位 (r0 - 1位 - 显性0): 保留位，必须发显性0。

    • DLC (Data Length Code - 4位): 指定数据场包含的数据字节数 (0-8字节)。

  • 数据场 (Data Field - 0-8字节): 实际要传输的数据内容。长度由DLC指定。

  • CRC场 (CRC Field - 16位):

    • CRC (Cyclic Redundancy Check - 15位): 根据帧内容计算的校验码，用于接收方检查传输错误。

    • CRC 界定符 (1位 - 隐性1): 标志CRC字段结束。

  • ACK场 (Acknowledge Field - 2位):

    • ACK 槽 (ACK Slot - 1位): 发送方发送隐性1。所有正确接收到该帧的节点（无论是否需要该数据）会在此时刻发送一个显性0覆盖它，表示“收到了，没错误”。

    • ACK 界定符 (1位 - 隐性1): 标志ACK场结束。

  • EOF (End of Frame - 7位 - 隐性1): 标志帧的结束。

2. 远程帧 (Remote Frame - 请求数据)

• 目的： 请求具有特定ID的节点发送其对应的数据帧。本身不携带数据。

• 结构 (标准帧为例): 与数据帧非常相似，关键区别有两点：

  • RTR位 (1位 - 隐性1): 固定为隐性1，表示这是远程帧。

  • DLC (4位): 可以包含请求者希望收到的数据长度（0-8），但被请求的节点通常忽略此值，按自己的数据长度发送。有时用于请求特定格式。

  • 无数据场： 远程帧没有数据场。

• 工作原理： 节点A发送一个ID=X, RTR=1的远程帧。拥有ID=X数据帧的节点B看到这个请求后，会尽快发送一个ID=X, RTR=0的数据帧作为响应。

3. 错误帧 (Error Frame - 报告错误)

• 目的： 任何节点检测到错误（如CRC校验失败、格式错误、位填充错误等）时，立即主动打断当前总线传输，向所有节点报告错误。

• 结构 (两部分):

  • 错误标志 (Error Flag):

    • 主动错误标志 (6位显性0): 由检测到错误且处于主动错误状态的节点发出。

    • 被动错误标志 (6位隐性1): 由检测到错误但处于被动错误状态的节点发出。

    • 无论哪种，这6个连续的相同位都违反了CAN的位填充规则（每5个相同位后必须插入一个相反位），从而强制总线上的所有其他节点也检测到错误并参与发送错误标志。

  • 错误界定符 (Error Delimiter - 8位隐性1): 在错误标志之后，由所有节点发送8个隐性1位，提供一个恢复期，标志错误帧结束。总线随后恢复空闲。

4. 过载帧 (Overload Frame - 请求暂停)

• 目的： 当一个节点内部处理不过来（如缓冲区满、CPU太忙），无法及时处理接收到的帧时，在帧间间隔(IFS)期间发送，请求延迟发送下一个数据帧或远程帧。使用相对较少。

• 结构: 与错误帧非常相似：

  • 过载标志 (Overload Flag - 6位显性0): 由需要延迟的节点发出（主动错误状态节点发6个0，被动节点发6个1）。

  • 过载界定符 (Overload Delimiter - 8位隐性1): 标志过载帧结束。

5. 帧间隔 (Interframe Space - IFS - 帧间休息区)

• 目的： 分隔连续的数据帧或远程帧。提供节点处理时间，并包含总线空闲期。错误帧和过载帧后没有IFS，它们之后可以直接跟新的帧。

• 结构:

  • 间隔段 (Intermission - 3位隐性1): 强制的最小间隔。

  • 总线空闲 (Bus Idle - 任意长度隐性1): 真正的空闲时间，任何节点都可以在此后尝试发送（以SOF开始）。

  • 对于刚刚成功发送帧的节点，IFS还包含一个额外的“挂起传输”段（3位隐性1），使其在发送下一帧前有更长的延迟。

关键概念补充：

• 显性位 (0) vs. 隐性位 (1):

  • 显性位 (0)： 逻辑“0”。在总线上表现为低电平。具有总线访问优先权（0会覆盖1）。

  • 隐性位 (1)： 逻辑“1”。在总线上表现为高电平。当总线上没有节点驱动显性位时，表现为隐性位。

• 仲裁： 多个节点同时开始发送时，通过逐位比较ID（从最高位MSB开始）决定谁赢。节点发送ID位时，同时监听总线。如果它发送了隐性1但监听到显性0，说明有更高优先级（ID值更小）的节点在发送，它立即停止发送转为接收模式。赢得仲裁的节点继续完成帧发送。

• 位填充 (Bit Stuffing)： 为了保证同步，避免长时间相同电平导致时钟漂移。在SOF到CRC界定符之间，每当连续出现5个相同位（5个0或5个1）后，发送方自动插入一个相反的位（在5个0后插1，在5个1后插0）。接收方会删除这些填充位。错误帧和过载帧的设计利用了违反位填充规则来快速通知所有节点。

位同步

核心目标： 确保总线上所有节点都能在正确的时间点读取总线上的电平（0或1）。想象大家围着桌子传纸条，必须同时低头看纸条内容，否则就乱了。

为什么需要同步？

1. 时钟不同步： 每个节点都有自己的内部时钟（晶振），不可能100%精确相同，总有微小差异（误差）。

2. 信号延迟： 信号在长长的总线电缆上传输需要时间，距离控制器远的节点会稍晚一点看到信号变化。

3. 位长度： CAN总线上的每一位（0或1）占据一个固定时间段（称为位时间）。节点必须在这个时间段内的最佳位置采样总线电平，才能准确判断是0还是1。

1.硬同步 (Hard Synchronization) - “大复位”

• 时机： 只发生在帧的开头，即检测到SOF（起始帧）的下降沿（从隐性1变显性0）时。

• 作用： 像一声发令枪！所有节点（接收方）一检测到这个下降沿，立即重置自己的内部位定时计数器，从零开始计时当前位时间。

• 效果： 确保所有节点（无论是接收方还是发送方）对第一位（SOF位）的计时起点完全对齐，同时对其相同的计时器起始点。

• 缺陷：每个接收设备的秒表都会存在误差，即使是进行了硬同步，秒表在后续计时的过程中也会存在不同步的情况，导致采样点逐渐偏离，所以要进行再同步（重同步）。

2.重同步 (Resynchronization) - “小调整”（接收方调整时钟）

• 时机： 发生在帧传输过程中，每次检测到从隐性位(1)到显性位(0)的跳变沿时（除了SOF那个边沿）。

• 作用： 不是完全重置，而是进行微调。节点计算检测到的边沿与自己内部时钟预期的边沿位置之间的偏差（相位误差）。

• 怎么调？ 根据这个偏差是提前了还是落后了，节点会稍微延长或缩短当前位时间（通过调整相位缓冲段即同步补偿宽度值（SJW）的长度），让内部时钟的预期边沿位置向实际检测到的边沿位置靠拢一点。

• 效果： 在整个帧传输过程中，持续不断地纠正因时钟误差和传输延迟造成的微小偏移，防止误差累积导致采样点错位。

3.位填充 (Bit Stuffing) - “保证有跳变”

• 规则： 在数据帧/远程帧的SOF到CRC之间，如果连续出现5个相同极性的位（5个0或5个1），发送节点必须自动插入一个相反极性的位（第6位）。

• 目的： 强制制造跳变沿！确保数据流中至少每6位就有一个边沿（从0变1或1变0）。

• 重要性： 为重同步提供“抓手”！如果没有位填充，发送一长串0或1，中间就没有边沿，节点就失去了进行重同步调整的机会，时钟误差会累积直到采样出错。

• 接收端： 接收节点在接收过程中会自动删除这些插入的填充位，恢复原始数据。

位时间结构 (理解调整的基础)：

1. 同步段 (Sync_Seg)： 期望边沿发生的位置。硬同步和重同步的基准点。

2. 传播段 (Prop_Seg)： 补偿信号在物理总线上的传播延迟时间。

3. 相位缓冲段1 (Phase_Seg1) & 相位缓冲段2 (Phase_Seg2)： 重同步发生的地方！ 检测到边沿时：

   • 如果边沿出现在Phase_Seg1之前（比预期早），说明节点内部时钟慢了，就延长Phase_Seg1（增加当前位时间）。

   • 如果边沿出现在Sync_Seg之后但在Phase_Seg2结束之前（比预期晚），说明节点内部时钟快了，就缩短Phase_Seg2（减少当前位时间）。

4. 采样点 (Sample Point)： 通常位于Phase_Seg1结束处。这是节点实际读取总线电平（决定是0还是1）的关键时刻！所有同步机制的核心目标就是让采样点对准总线电平最稳定的位置。

       问题： 时钟不准 + 线路延迟 = 大家容易看错位。

• 方案：

  • 硬同步 (发令枪)： 开头强制所有人对齐。

  • 重同步 (微调师)： 过程中遇到跳变就微调时钟，跟紧节奏。

  • 位填充 (节奏制造者)： 强制插入跳变，保证有足够多的机会让“微调师”工作。

• 目标： 让每个节点的采样点都精准地落在每位数据的稳定区域，确保读到的0/1是正确的。

 仲裁

核心目标： 当多个节点同时想发送信息时，决定谁先发，谁后发，避免数据在总线上撞车（冲突），并且让最重要的信息（高优先级）优先通过。

关键原理：

1. “线与”逻辑 (物理基础)：

   • CAN总线是“线与”逻辑：显性电平 (0) 是强信号，隐性电平 (1) 是弱信号。

   • 结果：只要有一个节点发送显性0，整个总线就被拉成显性0。只有所有节点都发送隐性1时，总线才是隐性1。

   • 简单说：0能覆盖1！ 这是仲裁能进行的物理基础。

2. 优先级由ID决定：

   • 每条消息都有一个唯一的标识符 (ID)。ID值越小，优先级越高！ (例如，ID=0x100 比 ID=0x200 优先级高)。

   • 为什么？ ID在数据帧/远程帧的仲裁场最先发送，且从最高位(MSB) 开始逐位发送，因此才能判断ID是否为最小，如果提前检测到有隐形1的话，就拉低这个节点的电平，直到总线空闲。

3. 边发边听，愿赌服输 (仲裁过程)：
   想象多个节点在SOF(起始位)后同时开始发送它们的ID：

   • 每个节点一边发送自己的ID位，一边监听总线上的实际电平。

   • 当某个节点发送了一个隐性位(1)，但监听到总线是显性位(0)时：

     • 它立刻明白：总线上有另一个节点在发送更高优先级（ID值更小） 的消息（因为对方在相同位置发的是0，覆盖了我的1）。

     • 它立即、优雅地停止发送，转为接收模式，准备接收胜出者的完整消息。

   • 这个过程从ID的最高位(MSB)开始，逐位比较，直到决出胜负。

   • 赢得仲裁的节点感觉不到任何冲突，继续完成它整个数据帧的发送。

举个简单例子 (假设2个节点)：

• 节点A 想发送消息，ID = 0x201 (二进制: 0010 0000 0001)

• 节点B 想发送消息，ID = 0x202 (二进制: 0010 0000 0010)

• 优先级：0x201 (更小) > 0x202

为什么叫“非破坏性”仲裁？

• 只有ID参与竞争，在仲裁阶段就决出胜负。

• 输掉的节点在数据部分开始前就退出了，没有发生真正的数据碰撞（不会像以太网那样碰撞后要重传碎片）。

• 赢得仲裁的节点不受任何影响，它的帧被完整无损地发送出去。

• 总线时间没有被浪费在冲突后的恢复上。

仲裁阶段的关键点：

1. 发生在哪里？ 在仲裁场，主要是ID字段（和RTR、IDE位，它们也参与优先级比较）。

2. 何时结束？ 当某个节点发送一个隐性位(1) 但监听到显性位(0) 时，它立即退出。如果所有位都相同（罕见，ID需唯一），先发送RTR/IDE等控制位的节点也可能胜出（显性位优先）。

3. 谁赢？ ID值最小的节点赢得仲裁（最高优先级）。

4. 输家怎么办？ 输家默默退出，等总线空闲后重新尝试发送。

注意

1、当节点A发送数据帧时，总线状态在忙，即使是优先级更高的节点B想要进来总线进行仲裁也要等节点A发送完才可以。只有两个节点都在仲裁场才可以进行ID优先级仲裁。

2、ID号相同时，数据帧优先级高于遥控帧。

3、标准格式11位ID号和扩展格式29位ID号的高11位一样时，标准格式的优先级高于扩展格式

错误处理

1. 强大的错误检测能力

CAN能在位级、帧级、报文级检测多种错误：

• 位错误 (Bit Error)： 节点发送一个位后，回读总线电平。如果发送的是显性0但读到隐性1（被别人覆盖），或发送隐性1但读到显性0（本应没人覆盖），立即报错！(仲裁期间发送隐性位1但读到显性0不算错，那是仲裁输了)

• 位填充错误 (Stuff Error)： 在不允许出现连续6个相同位的区域（SOF到CRC界定符之间），如果检测到连续6个相同位，报错！ (位填充规则被破坏)

• CRC错误 (CRC Error)： 接收节点根据收到的数据重新计算CRC，与发送节点发来的CRC值比较。如果不匹配，报错！ (数据传输过程有误)

• 格式错误 (Form Error)： 检测到固定格式位出现非法值（如ACK界定符、CRC界定符、EOF必须是隐性1，但实际读到了显性0），报错！

• ACK错误 (Acknowledgment Error)： 发送节点在ACK槽位发送隐性1，但没有监听到任何节点发来的显性0（表示无人正确接收），报错！ (消息无人应答)

2. 错误帧 (Error Frame) 

• 作用： 任何节点检测到以上任何一种错误时，立即（在下一个位时间）发出错误帧，强行打断当前的总线传输。

• 结构：
  * 错误标志 (Error Flag)： 发出 6个连续的显性位0 (主动错误状态) 或 6个连续的隐性位1 (被动错误状态)。这直接破坏了位填充规则！
  * 错误界定符 (Error Delimiter)： 接着发出 8个连续的隐性位1，提供一个“冷静期”，标志错误帧结束。

• 效果：
  * 所有节点看到6个连续相同位（违反规则），都意识到有错误发生，所有节点（无论是否检测到原始错误）都会参与发送错误界定符。
  * 当前传输被强制中止。发送节点知道出错，稍后会自动重传该帧。
  * 广播式警报： 瞬间通知全网错误发生。

3. 自动重传 (Automatic Retransmission) - 再来一次！

• 触发： 发送节点如果因为自己检测到错误（如位错误、ACK错误）或接收到错误帧而发送失败。

• 动作： 发送节点不会等待指令，一旦总线恢复空闲，会立即自动尝试重新发送同一帧数据。

• 优点： 快速恢复，提高数据最终送达的可能性。

4. 错误计数器 & 错误状态管理

• 目的： 区分偶尔犯错的好节点和持续捣乱的坏节点，限制坏节点的影响。

• 机制：
  * 每个节点有两个计数器：发送错误计数器 (TEC) 和 接收错误计数器 (REC)。
  * 检测到错误/发出错误帧： 相应计数器增加（增加量取决于错误类型和节点角色）。
  * 成功发送/接收帧： 相应计数器减少（降到0为止）。

5. 故障界定 (Fault Confinement) - 隔离坏节点

• 通过错误计数器和状态转换，能有效识别并隔离持续故障的节点：
  * 被动错误状态： 限制其发送破坏性错误标志的能力（只能发弱弱的被动标志）。
  * 总线关闭状态： 彻底将其物理隔离在通信之外，防止其持续发送错误破坏总线。

错误处理全过程示例 (节点A发送数据)：

1. 发送中出错： 节点A发送数据时，节点B检测到一个CRC错误。

2. 拉响警报： 节点B（主动状态）立即发出错误帧（6个连续的0）。

3. 集体响应： 所有节点收到警报，都参与发送错误界定符（8个1）。

4. 传输中断： 节点A的发送被强行中止。

5. 计数变化：

   • 节点B (检测者)：REC可能+1 (检测到错误)。

   • 节点A (发送者)：TEC大幅增加 (如+8，因为发送失败且收到错误帧)。

6. 自动重传： 总线空闲后，节点A自动重发同一帧。

7. 状态管理：

   • 如果节点A只是偶尔出错：重传成功，TEC逐渐减少，保持主动状态。

   • 如果节点A持续故障（如硬件损坏）：

     • 连续发送失败导致其TEC持续飙升。

     • 当TEC >= 128：进入被动错误状态（发错误帧时只能发6个1，影响小）。

     • 当TEC >= 256：进入总线关闭状态（被踢出总线，网络恢复平静）。