詳解基于CAN總線的汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)—CAN報(bào)文傳輸機(jī)制

CAN報(bào)文傳送

當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的n位字符為標(biāo)識(shí)符(擴(kuò)展幀格式為29位)，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。在同一系統(tǒng)中，標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文 1241。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競爭總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。當(dāng)一個(gè)站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN 芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)他收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其他站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收處理它。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在標(biāo)識(shí)符(n位或29位)中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，發(fā)送優(yōu)先級(jí)最高的報(bào)文的站將獲得總線控制權(quán)。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)文的起始部分己經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，發(fā)出報(bào)文的單元稱為該報(bào)文的發(fā)送器。該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個(gè)單元不是報(bào)文發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對(duì)于報(bào)文發(fā)送器和接收器，報(bào)文的實(shí)際有效時(shí)刻是不相同的。對(duì)于發(fā)送器而一言，如果直到幀結(jié)束末尾一直未出錯(cuò)，則對(duì)于發(fā)送器報(bào)文是有效的，o如果報(bào)文受損，將允許按照優(yōu)先權(quán)順序自動(dòng)重發(fā)送。為了能同其他報(bào)文進(jìn)行總線訪問競爭，總線一旦空閑，重發(fā)送立即開始。對(duì)于接收器而言，如果知道幀結(jié)束的最后一位一直未出錯(cuò)，則對(duì)于接收器的報(bào)文是有效的。構(gòu)成一幀的幀起始、總裁場、控制場、數(shù)據(jù)場CRC序列均借助位填充規(guī)則進(jìn)行編碼。當(dāng)發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5位連續(xù)的相同數(shù)值時(shí)，將自動(dòng)地在實(shí)際發(fā)送位流中插入一個(gè)補(bǔ)碼位。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的其余位場采用固定格式，不進(jìn)行填充。出錯(cuò)幀和超載幀同樣是固定格式，也不進(jìn)行位填充。報(bào)文中的位流按照非歸零(NRz)碼方法編碼，這意味著一個(gè)完整位的位電平要么是“0”要么是“1”。報(bào)文傳送由4種不同類型的幀表示和控制:數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器送至接收器;遠(yuǎn)程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀;出錯(cuò)幀由檢測出總線錯(cuò)誤的任何單元發(fā)出;超載幀用于提供當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加時(shí)間延遲。

2.2.6CAN的幀結(jié)構(gòu)

CAN2.OB建立了兩種不同的幀格式(適用于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀):一種是具有n位標(biāo)識(shí)符的 Bas1cCAN(標(biāo)準(zhǔn)幀格式)，另一種是具有29位標(biāo)識(shí)符的 PeliCAN。

報(bào)文傳輸有以下4種不同類型的幀:

數(shù)據(jù)幀 (dataframe):數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?

遠(yuǎn)程幀 (remoteframe):總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀;

錯(cuò)誤幀 (errorframe):任何單元檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀;

過載幀 (overioadframe):過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附加的延時(shí)。

1.數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場組成:即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC

場、應(yīng)答場、幀結(jié)束。結(jié)構(gòu)如圖2一4所示

標(biāo)準(zhǔn)幀格式與擴(kuò)展幀格式中仲裁和控制域結(jié)構(gòu)不同，其結(jié)構(gòu)分別如下:

圖2一5標(biāo)準(zhǔn)格式的幀結(jié)構(gòu)

圖2一6擴(kuò)展格式的幀結(jié)構(gòu)

(1)幀起始 (sOF)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它僅由一個(gè)“1”構(gòu)成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送。所有節(jié)點(diǎn)都必須同步于首先開始發(fā)送的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀起始前沿。

(2)仲裁場由標(biāo)識(shí)一符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位(RTR)組成。仲裁場如圖2一7所示:

標(biāo)識(shí)符:標(biāo)識(shí)符的長度為11位，這些位以從高位到低位的順序發(fā)送，發(fā)送位為ID.0，其中最高7位(ID.10一ID.4)不能全為“1”。RTR位為“O”代表是數(shù)據(jù)幀，為“1”代表遠(yuǎn)程幀。為“0”還是為“1”是由用戶填寫的。

(3)控制場由6位組成，如下圖2一8所示:

(4)數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它包括O一8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位。首先發(fā)送的是最高有效位。

(5)CRC場包括CRC序列，后隨CRC界定符，CRC場結(jié)構(gòu)如下圖2一9所示

(6)應(yīng)答場(AC均為兩位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符，結(jié)構(gòu)如下圖2一10

(7)幀結(jié)束:每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由“1111111”7個(gè)隱性位組成的標(biāo)志序列界定

2.遠(yuǎn)程幀
需要獲得數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以借助于發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀來請求對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給它。遠(yuǎn)程幀同樣存在標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。在兩種格式下，均由6個(gè)不同的位場組成:幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。同數(shù)據(jù)幀相比較，不同的是:遠(yuǎn)程幀的RTR位是“1”(這須由用戶用程序填充)。遠(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。DLC的數(shù)據(jù)值是獨(dú)立的，它可以是0一8中的任何數(shù)值。遠(yuǎn)程幀的組成如下圖2一11所示:[!--empirenews.page--]

3、出錯(cuò)幀
出錯(cuò)幀由兩個(gè)不同場組成，第一個(gè)場由來自個(gè)站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到，后隨的第二個(gè)是出錯(cuò)界定符。出錯(cuò)幀的組成如下圖2一12所示:

4、超載幀
超載幀包括兩個(gè)位場;超載標(biāo)志和超載界定符，其組成如下圖2一13所示

5、幀間空間

數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同前面的幀相同，不管是何種幀(數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)
幀和超載幀)均被稱為幀間空間的位場分開。幀間空間包括間歇場和總線空閑
場，對(duì)于“錯(cuò)誤認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)還有暫停發(fā)送場。對(duì)于非”錯(cuò)誤認(rèn)可“的接收器，
其幀空間如下圖2一14所示:

對(duì)于“錯(cuò)誤認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)，其幀空間如下圖2-15所示:

2.2.7CAN數(shù)據(jù)錯(cuò)誤監(jiān)測

CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法，其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。

1.循環(huán)冗余檢查(CRC):在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過cRc可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)【25]。其工作原理如下:

(5).根據(jù)R(x)和R‘(x)是否相等來判斷傳輸是否出錯(cuò)，如果計(jì)算余數(shù)多項(xiàng)式和接收余項(xiàng)多項(xiàng)式相等，則數(shù)據(jù)傳輸無差錯(cuò)，如果不等，則表明出現(xiàn)了錯(cuò)誤，由發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)，知道數(shù)據(jù)傳送正確為止。

2.幀檢查:這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報(bào)文的正確性，用于檢查格式上的錯(cuò)誤。
3.應(yīng)答錯(cuò)誤:被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤，也就以錯(cuò)誤類型和界定是說，ACK場己損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。
4.總線檢測:CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號(hào)。因此，發(fā)送報(bào)文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。
5.位填充:如果在一幀報(bào)文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，在五個(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位;接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動(dòng)去掉。例如，五個(gè)連續(xù)的低電平位后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤，如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位，CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。