CAN总线基础（2）--数据帧深层解析

（一）五种基本的帧类型作用以及介绍

数据帧 ： 是用于传输数据的基本单元。它包含一个帧头、标识符、控制位、数据长度和数据等字段。

遥控帧 ： 是一种特殊的CAN数据帧，用于向其他节点发送命令或请求。

错误帧 ： 是指在CAN总线上出现了错误，例如误码、冲突等，无法正确接收的数据帧。

过载帧 ： 是指当总线上的通信负载过高时，为了防止数据丢失，控制器会发送过载帧，通知其他节点减少发送数据。

帧间隔 ： 是指两个连续数据帧之间的时间间隔。它的作用是控制数据帧的传输速度，避免冲突和数据丢失。

总的来说，CAN数据帧用于传输数据，遥控帧用于发送命令或请求，错误帧表示出现了错误，过载帧用于通知其他节点减少发送数据，帧间隔用于控制数据帧的传输速度。

（二）数据帧详解

        数据帧是在CAN总线网络中用于数据传输的基本单位。它定义了数据的格式和传输规则，能够支持高效、可靠的通信，特别适用于汽车电子系统和工业控制领域。

1）数据帧传输特点

• 异步传输：节点可以在任何时候发送数据帧，无需预定时间片。

• 广播通信：所有节点都可以接收发送到总线上的数据帧，但只有接收到标识符与自身匹配的节点才会处理数据。

• 优先级机制：CAN总线支持基于标识符的优先级，较低优先级的数据帧在总线忙时可以被较高优先级的数据帧抢占。

2）数据帧拆分详解

数据帧由七部分构成，如图所示。

帧起始+仲裁段+控制段+数据段+CRC段+ACK段+帧结束

表示为完整的一帧

1.帧起始：表示数据帧开始的段    为1位显性位。此时CAN_H为3.5V,CAN_L为1.5V。代表逻辑0.

2.仲裁段：表示该帧优先级的段，根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN 2.0A）和扩展帧（CAN 2.0B）。标准数据帧的仲裁段由11位ID和1位RTR位(远程发送请求位)组成。RTR用来区分数据帧（显性电平）和遥控帧（隐性电平）。

在扩展数据帧中，SRR位表示 substituted remote request（替代的远程请求）。它用于指示发送方是否发送了远程请求帧。当SRR位为0时，表示发送方没有发送远程请求帧；当SRR位为1时，表示发送方发送了远程请求帧。

IDE位表示 identifier extension（标识符扩展）。它用于指示扩展数据帧中的标识符字段是否使用了扩展格式。当IDE位为0时，表示标识符字段使用了标准格式（11位）；当IDE位为1时，表示标识符字段使用了扩展格式（29位）。扩展格式允许更大的标识符范围，但需要更多的位来表示标识符。

3.仲裁过程：ID越小优先级越高，标准帧的优先级高于扩展帧

假设节点A,节点B,节点C，都是标准数据帧，以下为竞争过程。

在ID的第五位，节点A,节点C都为显性，节点B为隐性。至此节点B仲裁失败，处于监听状态。由剩下两节点继续进行仲裁，在ID第3位，节点C位隐性，节点A为显性，节点C仲裁失败，处于监听状态，节点B可优先向总线发送数据。

4.控制段：表示数据的字节数及保留位的段

    r1和r0位代表着"远程帧标志位"。这两个位用于指示CAN节点是否发送远程帧，即请求其他节点发送数据。 r1和r0位可以设置为以下几种组合：

• r1=0，r0=0：数据帧，表示节点发送的是数据包。
• r1=0，r0=1：远程帧请求，表示节点请求其他节点发送数据。
• r1=1，r0=0：保留位，未定义。
• r1=1，r0=1：错误帧，表示节点发送的是错误信息。

通过r1和r0位的不同组合，CAN总线上的节点可以发送不同类型的帧，并进行相应的通信操作。

       DLC占4位，它的取值范围为0到8个字节，表示消息数据帧中包含的数据字节数。通过DLC字段，接收方可以知道要接收的数据的长度，从而正确解析数据。例如0001代表数据字节数为1，0101代表字节数为5.

5.数据段：通信中用来传输数据的部分，数据段可包含 0～8 个字节的数据。从 MSB（最高位）开始输出。

6.CRC段：CRC段的作用是用于检测数据帧的传输错误。

        CRC（循环冗余校验）是一种通过对数据进行计算生成的校验码，用于检测数据传输过程中出现的错误。发送方在发送数据帧时，会根据数据计算出CRC值，并将其添加到数据帧的CRC段中。接收方在接收到数据帧后，会重新计算CRC值，并与接收到的数据帧中的CRC值进行比较。如果计算出的CRC值与接收到的CRC值不匹配，说明在传输过程中发生了错误，接收方将丢弃该数据帧。这样可以保证数据传输的可靠性。

CRC顺序：根据多项式计算生成的一个值，计算的范围为：帧起始至数据段。

CRC界定符为用于分隔的位。

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

       在CAN总线的通信过程中，当一个节点发送完一个消息后，其他节点会对该消息进行接收。接收节点会检测该消息的校验和、控制位和数据位等，并对其进行解析。如果接收节点成功解析了消息，并且校验和、控制位等都正确，那么它会在ACK段发送一个ACK位，表示消息已经成功接收。

      发送节点在接收到ACK位后，会认为消息已经被成功接收，可以继续发送下一个消息。如果发送节点在规定的时间内没有接收到ACK位，那么它会认为消息发送失败，需要进行重发。

发送方：ACK段发送2个隐形位

接收方：若接收到正确的消息（无填充错误，无格式错误，无CRC校验错误）后，ACK槽发送显性位，通知发送方，“我”已经收到了。

8.帧结束：帧结束是表示该该帧的结束的段。由 7 个位的隐性位构成。