浅谈CAN总线数据链路层

　　在物理线路上，由于噪声干扰、信号衰减等多种原因，数据传输过程中常常出现差错，而物理层只负责透明地传输结构的原始比特流，不可能进行任何差错控制。因此，当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路（链路）外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路层（Data Link Layer）。

　　什么是 CAN 总线

　　CAN 是“Controller Area Network”的缩写，即“控制器局域网”，是一个 ISO 标准的串行通信协议。CAN 总线由德国 BOSCH 公司研发设计，用于应对汽车上日益庞大的电子控制系统的需求，其最大的特点是可拓展性好，可承受大量数据的高速通信，并且高度稳定可到。ISO 组织通过 ISO11898 和 ISO11519 对 CAN 总线进行了标准化，使其早早确立了欧洲汽车总线标准的地位。时至今日，CAN 总线已经获得业界的高度认可，其应用也从汽车电子领域延伸至工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域。

　　CAN 总线网络拓扑结构

　　CAN 总线的物理连接只需要两根线，常称为 CAN_H 和 CAN_L，通过差分信号进行数据的传输。CAN 总线有两种电平，分别为 隐性电平 和 显性电平，这两种电平有着类似漏极 I/O 电平信号之间“与”的关系：

　　若隐性电平相遇，则总线表现为隐性电平；

　　若显性电平相遇，则总线表现为显性电平；

　　若隐性电平和显性电平相遇，则总线表现为显性电平。

　　一个典型的 CAN 总线网络拓扑结构如图1所示，注意两端的终端电阻是必需的。

　　

　　CAN总线数据链路层包括

　　1、通信机制

　　2、数据帧

　　3、错误检测

　　4、帧格式

　　5、位定时与同步

　　CAN总线帧格式

　　数据就是通过这种格式按位发送出去。总线上总共有以下5种不同类型的帧。

　　CAN 总线协议规定了5种帧，分别是数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧以及帧间隔，实践中数据帧的应用最为频繁。各种帧的用途如表1所示。

　　

　　数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。

　　数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧（2.0A）和扩展帧（2.0B）。

　　

　　帧起始由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；

　　帧结束由7个隐形位（高电平）组成。

　　仲裁段

　　CAN总线是如何解决多点竞争的问题？

　　由仲裁段给出答案。

　　CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。如果该位位于仲裁段，则退出总线竞争；如果位于其他段，则产生错误事件。

　　

　　帧ID越小，优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于远程帧；由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐形电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。

　　控制段

　　

　　数据段

　　为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域；

　　共6位，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IDE、r1、r0和DLC组成。

　　

　　ACK段

　　当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时，它将在ACK段发送一个显性电平，发送节点发送隐性电平，线与结果为显性电平。

　　远程帧

　　远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1（隐性电平）

　　

　　CAN是可靠性很高的总线，但是它也有五种错误。

　　CRC错误：发送与接收的CRC值不同发生该错误；

　　格式错误：帧格式不合法发生该错误；

　　应答错误：发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误；

　　位发送错误：发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误；

　　位填充错误：通信线缆上违反通信规则时发生该错误。

　　当发生这五种错误之一时，发送节点或接受节点将发送错误帧

　　为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN协议规定了节点的3种状态及行为

　　

　　过载帧

　　当某节点没有做好接收的“准备”时，将发送过载帧，以通知发送节点。

　　

　　帧间隔

　　用来隔离数据帧、远程帧与他们前面的帧，错误帧和过载帧前面不加帧间隔。