CAN

物理电平

• 以高速CAN为例
  • 有电压差（2.5V）为显性，逻辑0
  • 无电压差为隐性，逻辑1

帧结构

• SOF
  • 恒为显性，逻辑0
• 仲裁段
  • 当有多个设备发送数据，产生总线冲突时，来判断一个先后顺序
  • 由于总线是线与机制，所以显性0的存在感更强，所以ID越小优先级越高
  • 标准帧
    • 11 id + RTR位
    • 数据帧的RTR位为0，远程帧的RTR位为1
  • 扩展帧
    • 11 id + SRR + IDE + 18 Extend id + RTR位
    • SRR位恒为1
    • 标准帧的IDE为0，扩展帧的IDE位为1
  • RTR保证数据帧的优先级大于远程帧
  • IDE保证标准帧的优先级大于扩展帧
• 控制段
  • 标准帧
    • IDE + r0 + DLC(4bits)
    • r0为显性电平0
  • 扩展帧
    • r1 + r0 + DLC(4bits)
    • r1和r0为显性电平0
  • DLC数据帧长度，取0-8
• 数据段
  • 发送数据，0-8个字节
• CRC段
  • CRC校验序列（15bits） + CRC界定符（DEL恒为隐性1）
  • CRC计算范围包括：SOF、仲裁场、控制场和数据场
• ACK段
  • ACK槽 + ACK界定符（DEL恒为隐性1）
  • 目的：发送节点确保自己发出的报文至少有一个节点正确接收了
  • 发送节点发出11，接收节点将ACK槽中填充0，这时候发送节点回读总线电平时，就是01
• EOF
  • 七个连续隐性1

错误帧种类

• 位发送错误
  • 节点发送到总线的电平与从总线回读的电平不一致
• ACK错误
  • 发送节点在ACK槽上没有回读到显性0
• 位填充错误
  • 从SOF到CRC校验序列之间不允许有6个连续的相同电平，发送器只要检测到5个连续相同逻辑位时，就会在下一位插入一个相反的逻辑电平。
  • 位填充错误是指在SOF到CRC校验序列之间检测到有6个连续相同的逻辑电平
  • 剩余位域（CRC界定符、ACK段和EOF）形式固定，不填充
  • 作用：确保数据帧不会被识别为EOF和错误帧（6个连续显性位获隐性位）
• CRC错误
  • 发送节点发出的CRC序列与接收节点自行计算的CRC序列结果不一致
• 格式错误
  • 一些位恒定不变，比如：EOF连续七个隐性1、CRC界定符恒为1、ACK界定符恒为1

错误帧

• 错误标志(6bits) + 错误标志重叠部分(0-6bits) + 错误界定符(8bits)
• 主动错误标志：6个连续显性0
  • 处于主动错误状态的节点会发送主动错误标志。由于主动错误标志违反了位填充规则，就造成其它节点也检测到错误并发送错误标志（这就是错误标志重叠形成的原因）
• 被动错误标志：6个连续隐性1
  • 被动错误标志可能会被其它节点的显性位改写，所以节点只需要关注发送了6个连续隐性位就行，不需要关注总线上的状态有没有被其它节点更改
  • 发送节点发送被动错误标志，将会导致接收节点的位填充错误
  • 接收节点发送被动错误标志，不会对总线产生影响
• 错误界定符：8个连续隐性1
  • 当发送完错误标志后，所有节点开始向总线发送一个隐性位，并检测到总线电平为隐性时，发送剩下的七个隐性位
• 错误帧发送时刻
  • 位发送错误、位填充错误、格式错误和ACK错误产生后，将直接在下一位发送错误帧
  • CRC错误产生后，在ACK界定符后的位发送错误帧
  • 错误帧发送完成后，总线空闲时自动重发出错的数据帧

错误状态（11898 P68）

• 根据错误计数来切换状态，发送错误计数器(TEC)和接收错误计数器(REC)
  • 当接收方检测到错误时，接收错误计数器(REC)应该加1
  • 当接收方在发送一个错误标志后，检测到主导位作为第一个位时，接收错误计数器(REC)应该加8
  • 当发送方发送错误标志时，发送错误计数器(TEC)应该加8
  • 当发送方在发送主动错误标志或过载标志时，发送错误计数器(TEC)应该加8
  • 当接收方在发送主动错误标志或过载标志时，接收错误计数器(REC)应该加8
  • 在一个帧成功传输后（得到ACK并且在EOF完成之前没有检测到错误），发送错误计数器(TEC)应该减1；发送错误计数器(TEC)为0时例外
  • 在成功接收到一个帧后（ACK槽位前无错误接收，并成功发送ACK位），如果接收错误计数器(REC)在1到127之间，应该减1。如果REC为0，则保持0不变。如果REC大于127，则设置为119到127之间的值
• 主动错误状态(TEC和REC均小于128)
  • 初始化后进入主动错误状态，可靠，能够正常进行总线通信
  • 发送节点或者接收节点，检测出错误时，会发出主动错误标志（6个连续显性位）
  • 发送主动错误标志，相当于告诉其它节点作废上次的报文
• 被动错误状态(TEC或REC大于127)
  • 不可靠，错误较多，能够进行总线通信，但不能连续发送了
  • 检测到错误时，发出被动错误标志（6个连续隐性位）。发送结束后，处于被动错误状态的节点在下一次发送之前需要等一下（帧间隔(3个隐性位) + 延时段(8个隐形位)），从而让其它正常节点优先使用总线
  • 发送节点发送被动错误标志，不能连续发送，需要等待
• Bus off(TEC大于255)
  • 总线关闭，不能收发任何报文
  • 重启后恢复CAN通信
  • 或者监控了128次空闲状态（idle condition）后，错误计数器归0，变为主动错误状态
  • idle condition：11位连续的隐性1
• 假设没有进一步的错误，从检测到一个错误到可能开始下一帧的恢复时间，在主动错误状态下通常是17-23个比特位（错误标志6bit + 错误标准重叠部分0-6bit + 错误界定符8bit）；在被动错误状态下会多8个比特位（8位延时段），高达31个比特位。

CAN FD

相较于CAN的优点

• 增加了数据的长度，最多支持64个字节，提高了协议效率
• 增加传输速度，支持双比特率，仲裁比特率最大为1Mbit/s，数据比特率可实现5Mbit/s
• 可兼容传统CAN

帧结构

• SOF

  • 恒为显性，逻辑0

• 仲裁段

  • CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，恒为显性0

• 控制段

  • IDE + FOF + res + BRS + ESI + DLC
  • 相比于CAN，增加了FOF、BRS和ESI
  • FDF(Flexible Data Rate Formate)，恒为隐性1，对应传统CAN中的保留位r
  • BRS(Bit Rate Switch)表示位率转换，为显性0时，数据段和仲裁段的速率保持一致；为隐性1时，数据段以更高的速率传输。从ESI开始到CRC界定符结束。
  • ESI(Error State Indicator)错误状态指示器，主动错误为显性0，被动错误为隐性1
  • DLC取值：0-8，12，16，20，24，32，48，64

• 数据段

  • 最多能发64个字节

• CRC段

  • CRC位数

    • 传统CAN是15位的CRC校验。
    • 在CAN FD中，当传输数据最多16个字节时，使用17位的CRC校验
    • 当传输数据大于16个字节时，使用21位的CRC校验

  • 添加了Stuff Count(4bits)

    • 格雷码计算：CRC区域之前的填充位数对8取余，然后进行格雷码计算(Bit0-2)
    • 奇偶校验：通过格雷码计算后的值进行偶校验，填充到Parity位

  • CRC校验场中使用固定填充位

    • CRC校验场的第一位
    • 每间隔4位添加一个固定填充位
    • 固定填充位的值是上一位的反码

• ACK段

  • ACK槽 + ACK界定符
  • 由于会从高速的数据场到慢速的ACK段，时钟切换会引用收发器相移和总线传播延迟，所以在CAN FD中，接收节点利用2位时间识别应答位。

• EOF

  • 七个连续隐性1

总线负载(Bus load)

• 固定时间(1s)内，总线上实际传输的bit数除以理论上总线传输的bit数

  假设比特率设置为500kbps，那么理论上每秒能够传输 500 * 1000 bit
  现在实际上每秒有100帧报文(CAN标准帧，大概一帧120bit)
  那么 bus load = (120 * 100) / (500 * 1000) * 100% = 2.4% 
  

• 总线负载太高，容易出现丢包