深入探秘 CAN 总线：各类帧的特点与工作机制

　　CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，得到了广泛应用。CAN 总线的通信是通过特定类型的帧来实现的，深入了解这些帧的种类、用途和组成，对于掌握 CAN 总线技术至关重要。
　　CAN 总线帧的种类
　　CAN 总线通信主要通过以下 5 种类型的帧进行：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧和帧间隔。其中，数据帧和遥控帧又有标准格式和扩展格式之分。标准格式具有 11 个位的标识符，扩展格式则有 29 个位的 ID。
　　五种类型帧的用途
　　帧类型帧用途
　　数据帧用于发送单元向接收单元传送数据的帧
　　遥控帧用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧
　　错误帧用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
　　过载帧用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
　　帧间隔用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来
　　数据帧的组成
　　数据帧是 CAN 总线中为常用的帧，其结构由 7 段组成：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC 段、ACK 段和帧结束。
　　帧起始：表示帧的开始，由一个显性电平组成。无论是标准数据帧还是扩展数据帧都包含此段，它标志着数据帧和远程帧的起始，总线空闲时，发送节点发送帧起始，其他接收节点同步于该帧起始位。由于总线空闲时为隐性位，所以帧起始的显性位很容易识别。
　　仲裁段：表示帧的优先级，标准格式和扩展格式在此的构成有所不同。标准格式的 ID 有 11 个位，从 ID28 到 ID18 依次发送，禁止高 7 位都为隐性；扩展格式的 ID 有 29 个位，基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示，同样禁止基本 ID 的高 7 位都为隐性。
　　控制段：共 6 位，用于表示数据的字节数。标准帧的控制段由扩展帧标志位 IDE、保留位 r0 和数据长度代码 DLC 组成；扩展帧控制段则由 r1、r0 和 DLC 组成。IDE 在标准帧中位于控制段，为显性 0；在扩展帧中属于仲裁段，为隐性 1。保留位必须全部以显性电平发送，但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。
　　数据段：标准、扩展格式相同，可包含 0 - 8 个字节的数据，从 MSB（位）开始输出。
　　CRC 段：用于校验传输是否正确。CAN 的报文包含一段 15 位的 CRC 校验码，一旦接收节点算出的 CRC 码与接收到的 CRC 码不同，它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求重新发送。CRC 部分的计算一般由 CAN 控制器硬件完成，CRC 界定符恒为隐性 1。
　　ACK 段：用于确认是否正常接收，由 ACK 槽（ACK Slot）和 ACK 界定符 2 个位构成。发送节点发送隐性电平 1，接受成功的节点发送显性电平 0，总线电平与节点的发送结果对比，显性表示发送成功，隐性表示发送失败。应答标识为一个隐性电平 1。
　　帧结束：由 7 个连续的隐形位组成，表示该帧的结束。
　　遥控帧的组成
　　遥控帧由帧起始、仲裁段、控制段、CRC 段、ACK 段和帧结束组成，与数据帧相比，远程帧没有数据段。具体对比如下：
　　比较内容数据帧远程帧
　　ID发送节点的 ID被请求发送节点的 ID
　　SRR显性电平隐性电平
　　RTR显性电平隐性电平
　　DLC发送的数据长度接收的数据长度
　　是否有数据段有没有
　　CRC 校验范围起始帧 + 仲裁段 + 控制段 + 数据段起始帧 + 仲裁段 + 控制段
　　其中，RTR 为远程发送请求位，SRR 为代替远程请求位，DLC 为数据长度位，CRC 为校验位。
　　错误帧的组成
　　错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误并通知其他单元，由错误标志和错误界定符构成，错误界定符由 8 个位的隐性位构成。单元的错误状态分为主动错误状态、被动错误状态和总线关闭态，这些状态依靠发送错误计数和接收错误计数来管理。
　　主动错误状态：可以正常参加总线通信的状态，处于该状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。
　　被动错误状态：易引起错误的状态。处于该状态的单元虽能参加总线通信，但为不妨碍其他单元通信，接收时不能积极地发送错误通知。即使检测出错误，若其他处于主动错误状态的单元没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的。处于被动错误状态的单元检测出错误时，输出被动错误标志，且在不能马上再次开始发送，在开始下次发送前，在间隔帧期间内必须插入 “延迟传送”（8 个位的隐性位）。
　　总线关闭态：不能参加总线上通信的状态，信息的接收和发送均被禁止。处于总线关闭态的单元，检测到 128 次连续 11 个位的隐性位时，发送错误计时器和接收错误计时器都将置为 0。
　　CAN - Bus 的错误类型主要包括 CRC 错误、格式错误、应答错误、位发送错误和位填充错误。
　　过载帧的组成
　　当某个接收节点没有做好接收下一帧数据的准备时，将发送过载帧以通知发送节点。过载帧由过载标志（6 个位的显性位）和过载界定符（8 个位的隐性位）构成，过载界定符的构成与错误界定符相同，过载标志的构成与主动错误标志相同。
　　有 3 种情况会引起过载帧：
　　接收节点自身原因，需要延迟接收下一个数据帧或者遥控帧。
　　在帧间隔的间歇段的位和第二位检测到一个显性位（正常的间歇段都是隐性位）。
　　CAN 节点在错误界定符或过载界定符的第八位（一位）听到一个显性位 0，节点会发送一个过载帧，且错误计数器不会增加。
　　间隔帧的组成
　　帧间隔用于分隔数据帧和遥控帧，数据帧和遥控帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开，但过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。