基于PicoScope示波器理解CAN/CAN-FD的报文帧格式

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🍅 CAN、CAN-FDBIAO标准帧格式简介

CAN 报文帧格式

CAN–FD 报文帧格式

🍅 显隐性电平定义

CAN总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线（CAN-H和CAN-L）就可以进行正常的通信。在干扰比较强的场合，还需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干扰信号），CAN协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输线。

隐性电平和显性电平是CAN总线上的两种互补的逻辑值。以下是对这两种电平的详细解释：

隐性电平

• 定义：隐性电平在逻辑层面表现为1，即当CAN总线上所有单元都输出隐性电平时，总线上才呈现隐性状态。
• 电压特性：典型地，当CAN总线为隐性（逻辑1）时，CAN_H和CAN_L的电平都维持在2.5V左右，此时它们之间的电位差Vdiff为0V。
• 功能：隐性电平用于表示总线上的空闲状态或某些特定的逻辑值。在CAN总线的通信过程中，如果没有节点正在发送显性电平，那么总线将保持隐性电平状态。

显性电平

• 定义：显性电平在逻辑层面表现为0，即当CAN总线上有任何一个单元输出显性电平时，总线就呈现显性状态。
• 电压特性：当CAN总线为显性（逻辑0）时，CAN_H和CAN_L的电平分别为3.5V和1.5V左右，此时它们之间的电位差Vdiff为2.0V左右。这个电位差是CAN总线差分传输机制的基础，用于区分显性电平和隐性电平。
• 功能：显性电平用于表示总线上的有效数据或控制信号。在CAN总线的通信过程中，当节点需要发送数据时，它会通过输出显性电平来将数据传输到总线上。由于显性电平可以覆盖隐性电平，因此当多个节点同时尝试发送数据时，具有最高优先级的节点（通常通过其ID号决定）将能够成功地将数据发送到总线上

巧记：急急如律令，太上老君快显0。

下图是基于PicoScope示波器抓取的CAN波形，观察下CANH、CANL、CAN_DIFF（差分电压）的电压值

🍅 线与机制

为什么CAN总线的显性电平（逻辑0，电位差Vdiff = 2.5V）能覆盖隐性电平（逻辑1，电位差Vdiff = 0V）？

线与机制：在CAN总线上，所有节点都是并联连接的。当某个节点输出显性电平时（即CAN_H的电平高于CAN_L的电平一定程度），它会将总线电平拉低，即使其他节点输出隐性电平，总线电平仍然保持低电平。这是因为显性电平是强驱动，而隐性电平是弱驱动，所以显性电平能够覆盖隐性电平。

🍅 位填充

当发送节点连续发送相同逻辑电平（显性或隐性）的位数达到特定数量（通常是5位）时，必须在下一个位插入一个与该5位相反的电平

• 发送过程：发送节点在发送数据时，会监测连续相同电平的位数。当达到5位时，会在下一个位插入一个相反的电平。这个过程从数据帧的开始（SOF）到循环冗余校验（CRC）序列的最后一个位结束。
• 接收过程：接收节点在接收数据时，会自动检测和删除这些插入的填充位，以恢复原始的数据流

位填充的影响与限制

• 数据长度：位填充会增加数据帧的总长度。在极端情况下，如果数据帧中连续相同电平的位数较多，填充位可能会显著增加。
• 性能考虑：虽然位填充增加了数据传输的可靠性，但也可能会对总线带宽和性能产生一定影响。因此，在设计CAN总线系统时，需要综合考虑数据传输的可靠性和性能需求。

如下图是一个CANFD报文0x106，根据填充规则，当遇到5个“00000”时，必须在后面填充一个“1”。

• 有电压差的是显性电平（逻辑值为0）
  

🍅 一帧CAN报文有多少比特

本示例的CANFD总线的仲裁段的波特率为500kBit/s，数据段的波特率为2000.0kBit/s。

不同的波特率，不同的数据（位填充数不同），发送一帧报文所用的时长都有差别，下面仅仅列出3个实例，以作参考。

• 如下图是一个数据长度为8的CAN报文，有124Bit ，发送时长为248us（微秒）

• 如下图是一个数据长度为8的CANFD报文，有138Bit ，发送时长为114us（微秒）

• 如下图是一个数据长度为64的CANFD报文，有675Bit ，发送时长为1350us（微秒）

🍅 CAN-FD帧格式详解

🍅 帧起始段（SOF）

表示帧开始的段。 1 个位的显性位。

🍅 仲裁段（ARB Field）

🍅 ID

标准帧（CAN 2.0A）：仲裁段的ID域由11位标识符组成，扩展帧（CAN 2.0B）：仲裁段的ID域，由29位标识符（包括基本ID的11位和扩展ID的18位）组成。
仲裁段中的ID决定了帧在总线上的优先级。ID值越小，帧的优先级越高。在总线竞争时，优先级高的帧将赢得仲裁，从而得以继续传输

🍅 RTR（CAN）和RRS（CAN-FD）

针对CAN格式帧，ID后面一位是RTR（Remote Thansmison request），该位的作用是区分数据帧（RTR=0）和远程帧（RTR=1）。
针对CAN-FD格式帧，与CAN不同，CAN-FD取消了对远程帧的支持，用RRS（Remote request substitution）位替换了RTR位，为常显性（逻辑0）

如下图是一个CAN-FD和CAN报文的截图对比。（ID占12Bit，是因为有5个连续的0，物理层加了个填充）

🍅 控制段（CTRL Field）

🍅 扩展帧标志位（IDE）（CAN和CANFD都有）

IDE（Identifier Extension）占一个比特，表示是否为扩展帧（IDE = 1）。

🍅 保留位（r0）（只有CAN）

r0（Reserve Bit ）保留位供位未来使用，占一个比特，为常显性（逻辑0）

🍅 CANFD标志位（ FDF）（只有CANFD）

FDF（FD Fotmate）是控制段的第2个bit ,当FDF = 1时，表明是CANFD帧，当FDF = 0时，表示是CAN帧（也就是r0的值）

🍅 保留位（ res）（只有CANFD）

res（Reserve Bit ）保留位供位未来使用，占一个比特，为常显性（逻辑0）

🍅 位速率转换（ BRS）（只有CANFD）

BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率转换，当 BRS 为显性位（0）时数据段的位速率与仲裁段的位速率一致（恒定速率），当 BRS 为隐性位（1）时速率可变（即 BRS 到 CRC 使用转换速率传输）。

🍅错误状态指示（ ESI ）（只有CANFD）

ESI （Error State Indicator）：发送节点错误状态指示，主动错误时发送显性位（0），被动错误时发送隐性位（1）。

🍅数据长度（DLC）（CAN和CANFD都有）

DLC占4个比特位，最大能表示长度为1111（15），为了兼容CAN-FD格式的最大64个字节，当数据在0-8时，DLC的值就是线性表示，当数据大于8时.DLC的值和数据域长度的只能用一些离散值表示（9，12）、（10，16）、（11，20）、（12，24）、（13，32）、（14，48）、（15，64）

如下图是一个CAN-FD和CAN报文的截图对比。

• 注意： CANFD 帧的控制段有9Bit，传输用时10us ，而CAN 帧的控制段有6Bit，传输用时却是12us ，这是因为CANFD帧从ESI位就开始使用变速速率传输。

🍅 数据段（DATA Field）

CAN FD兼容CAN的数据格式，同时最大还能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte

如下图是一个CAN-FD和CAN报文的截图对比。CANFD帧采用变速速率传输，比CAN帧传输用时少4倍（500kbit/s 和2000kbit/s的区别 ）

🍅 CRC段（CRC Field）

下图是标准CAN帧的CRC段，由15位的CRC位和1位的CRC Del位组成，CRC Del位为常隐性位（逻辑1）

传统CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CAN FD中由固定填充位FSB（6/7位）、填充位计数（4位）、CRC（17/21位）和CRC界定符（1位）组成，总共28或33位组成。 在传统CAN中，CRC中可以包含0到3个填充位，而在CAN FD中，总是有4个固定填充位以提高通信可靠性

固定填充位（FSB)：CRC段中每4个位固定填充一个与上位相反的位。

• 采用CRC17时，FSB为6个位；（如下图6个黄色区域）
• 采用CRC21时，FSB为7个位。

填充位计数：由填充位计数（4位）和奇偶校验位（1位）组成

CRC：

• 报文长度小于16时，采用CRC17，17位组成；
• 报文长度大于16时，采用CRC21，21位组成。

CRC界定符：固定为隐性位（逻辑值1）；从该位采样后，切换为仲裁域波特率。

下图是标准CANFD帧的CRC段：

🍅 ACK段（ACK Field）

ACK段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽（ACK Slot）和 ACK 界定符（ACK Del）2 个位构成。

• 发送单元在 ACK 段发送 2 个位的隐性位（逻辑值1）。当接收器正确地接收到有效的报文时，接收器就会在应答间隙（ACK Slot）期间（发送ACK 信号）向发送器发送一个“显性”（逻辑值0）的位以示应答，通知发送单元正常接收结束。
• ACK Del，固定为隐性（逻辑值1）

🍅 帧结束段（EOF Field）

CAN和CAN FD的帧结尾都为连续7位的隐性位

IFS（Interframe Space）即帧间隔，通常包含连续三个隐性位。在间隔段期间，所有节点都不允许发送数据帧或远程帧，注意IFS（帧间隔）并不是CAN帧的一部分，而是两个连续帧之间的时间间隔。

🌎总结

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原文地址：https://blog.csdn.net/qq_34414530/article/details/140314609

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