CAN\CANFD\FlexRay\LIN 一文深度解析常见通信协议
本文重點介紹一些局域網通信協議，我是通過 B 站 Vector 官方的視頻學習的。
J1939 部分感覺和 CAN 差不多就沒有詳細繼續學習，另外感覺 J1939 官網講的一般。
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文章目錄
- 1 CAN 通信
- 1.1 CAN 通信節點
- 1.2 尋址 Address
- 1.3 Bus Access 總線訪問機制
- 1.4 CAN Framing 幀格式
- 幀錯誤檢測機制
- 發送方錯誤檢測
- 接收方錯誤檢測
- 錯誤幀
- 錯誤狀態
- 2 CAN FD
- 3 FlexRay
- 3.1 FlexRay 物理層
- 3.2 FlexRay 通信周期
- 3.3 FlexRay 幀結構
- 3.4 FlexRay 總線訪問
- 4 LIN
- 4.1 LIN 物理層
- 4.2 LIN 通信原理及幀結構
- 4.3 LIN 調度機制及報文類型
- 4.4 LIN 狀態管理和網絡管理
- 5 J1939
- 5.1 參數組和信號
1 CAN 通信
CAN 通信適用于局域網場景，高速 CAN 最高 1 MB/S，低速 CAN 最高 125KB/S。常用于工業系統、車載場景等，相比于互聯網的七層或四層網絡通信協議， CAN 通信不需要 IP 地址，而且汽車的各個局部通信網絡，可以有不同的通信速度，匹配了不同的通信需求。不同速度的 CAN 通信使用網關互相通信。網關還可以做中繼器，放大信號，提升傳輸距離。
1.1 CAN 通信節點
- MicroController：控制器把數據發送給 CAN 控制器
- CAN Controller：報文的封裝、檢查、總線訪問以及 bit-timing
- CAN-Transceiver：收發報文
- 兩端的電阻：保證信息傳輸過程中的阻抗連續性
1.2 尋址 Address
兩種尋址方式：
- Node Address 點對點尋址：發送者選擇目標地址
- Broadcast Address 廣播尋址：接收者選擇是否接受
CAN 采用的是廣播尋址。CAN Controller（CAN 控制器）中有 Filter（過濾器），來選擇接受應用需要的數據。
過濾器原理：
1.3 Bus Access 總線訪問機制
非破壞性總線仲裁機制。根據標識符判斷優先級，優先級高的優先發送，優先級低的之后再發送（或新一輪的仲裁）。
仲裁方法：標識符 ID 發到總線上時，進行總線與運算，假設和某個 CAN 節點 A 的標識符 ID （標準振標識符范圍 [0, 2047]，標識符 ID 有點類似身份證 ID）不同時，A 停止發送轉為接受模式，即標識符越小優先級越高。
1.4 CAN Framing 幀格式
- 標準幀
- 標準幀（11 ID + 0~8 bytes data）
- 標準遠程幀（11 ID + 0 byte data）
- 擴展幀
- 擴展幀（29 ID + 0~8 bytes data）
- 擴展遠程幀（29 ID + 0 byte data）
- SOF：0（顯性電位為 0，隱性電位為 1，總線空閑默認為 1），幀起始，接收節點收到幀起始會和總線時鐘進行同步（硬同步、重同步，這里是硬同步）。
- 仲裁字段
- ID：高位在前
- RTR：遠程幀請求，遠程幀為 0，表示是數據幀，否則是遠程幀。遠程幀表明接受該幀的節點即不主動發送數據，當他收到遠程幀時，才開始發送數據，減少占用 CAN 的通信。
- 控制字段
- IDE：表示是否是擴展幀，IDE 為 1 是擴展幀
- r：保留位
- DLC：數據長度，合理范圍是 0 - 8，超過則表示 8 字節
- 數據字段
- 校驗字段
- CRC：15位校驗位
- DEL（delimter）：分隔符，無意義，為 1
- 確認字段
- ACK：發送節點，該位都為 1，接受節點 CRC 正確則在 ACK 位時，該位置置為 0，否則還是 1。如果發送節點回讀 ACK 是 0，繼續發送，否則停止發送，下一次發送一個錯誤幀。（下一次發送錯誤幀不太理解）
- DEL
- EOF + ITM：結束字段 + 幀間隔
位填充：
- 出現了五個相同的位（包括填充位），就在下一個位置填充一個相反的位。
- 范圍從 SOF 開始一直到 CRC。
幀錯誤檢測機制
- 位監控：回讀發送出去的位的數據
- ACK 位：發送數據的節點回讀 ACK 是 0，繼續發送，否則意味著發生錯誤停止發送
- Stuff Check：填充檢測
- CRC 檢測
- Form 檢測：一些分隔符 del 等
發先幀錯誤后：某一個節點檢查到發送或者接受的幀出現錯誤，會以發送錯誤幀的方式告知其他參與通信的節點，當前正在發送或者接受的幀是有問題的。
發送方錯誤檢測
位監控指的是發送方發送出去某一位后，回讀總線數據，如果回讀數據和發送的數據不同，那么就表明總線數據發生錯誤。
仲裁段標虛線表示不能完全使用位監控。因為仲裁機制，因此這里如果出現了發1讀0，則認為是仲裁失敗而非發送錯誤。發送節點會轉而變成接收節點。但是發0讀1肯定是錯誤，因為仲裁是取較小的值，所以這里肯定是發生了錯誤，因此是虛線。
除了位監控之外就是 ACK，發送方 ACK 默認為 1，然后回讀 ACK，如果 ACK 不為 0，則表明發生錯誤。
接收方錯誤檢測
首先是位填充檢測，從幀起始到 CRC。出現連續六個及以上的連續位表明肯定發生了錯誤。
CRC 從仲裁字段到 CRC 字段，計算 CRC 是否正確。
格式檢查，分隔符、結束符。
ACK 位監控，即回讀 ACK 位，接收方需要根據前面的檢測結果寫 ACK 位，如果數據沒問題寫入 0，否則寫入 1。這時接收方變成了發送方，因此也有了位監控的錯誤檢查。
錯誤幀
錯誤幀格式：6位錯誤標識和8位錯誤界定符（分隔符）
除 CRC 錯誤之外，檢查到錯誤時，會從下一位立即開始發送錯誤幀，CRC 檢查到錯誤會在 ACK 位向接收節點發送 1，然后 ACK 界定符之后發送錯誤幀。
- 錯誤主動節點：錯誤幀為 6 個 0，8 個 1
- 錯誤被動節點：錯誤幀為 6 個 1，8 個 1
錯誤幀的前 6 位錯誤標識符是為了觸發參與通信節點的位填充錯誤，觸發之后其他參與通信的節點也會發送錯誤幀，6 個 0 的情況下的表現為，可能發送的 0 的個數大于 6，如圖所示為 12（6 + 6），6 個 1 的情況下為可能發送完 6 個 1 之后還會發送多個 0，然后再進入錯誤分隔符，錯誤分隔符 + 幀界定符總共 11 個 1，11 個 1 表明總線又再次處于空閑狀態。那么發送節點就可以根據數據進行重發。
錯誤狀態
每個節點一定處于上述三種狀態，每個節點有兩個值，TEC\REC，TEC\REC 變化的大致規則：
- 作為發送節點率先發現錯誤，則 TEC + 8
- 作為接收節點率先發現錯誤，REC + 8，如果作為接收節點接收到了別人的錯誤幀，則 REC + 1
- 成功接受 REC - 1，成功發送 TEC - 1
主動錯誤狀態節點，可以在幀界定符之后繼續發送；而錯誤被動節點必須還要再等待 8 個字符才能開始發送。總線關閉節點不允許訪問總線。
2 CAN FD
硬件、協議輕微改動。CAN FD 數據段最多 64 字節。CAN FD 最高支持 8MB/s 的傳輸速率。CAN FD 采用可變速率，數據字段傳輸快。
CAN FD 沒有遠程幀，只分為兩種：標準幀（標識符 11 位）和擴展幀（標識符 29 位）。
- SOF：幀起始
- 標識符ID
- RRS 代替原來的 CAN 幀的 RTR
- IDE：表示是否是擴展幀
- FDF：表示是否是 CAN 幀還是 CAN FD 幀
- r：保留位
- BRS（Bit Rate Switch）： 之后數據段傳輸是否變換速度，BRS 之前屬于仲裁段，會以低速傳輸；BRS 開始到 CRC 分隔符為止，屬于數據段，可以高速傳輸。CRC 分割符之后，由于需要 ACK 應答，因此又變為低速傳輸。
- ESI：用來告知其余節點，發送方的錯誤狀態。
- DLC：0-8 線性表示數據長度，9-15離散的表示數據長度。
- CRC：根據不同的數據長度使用不同長度的 CRC 校驗。CAN 使用 15 位的 CRC 校驗，且不包含填充位。CAN FD CRC 包含數據填充位。CAN FD 在 CRC 字段的前四位增加了對前面填充位的計數校驗，前面的填充同樣是 5 個相同位跟一個相反的位。CRC 字段不適用之前的填充，而是使用固定位填充，從 CRC 字段開始位置開始填充，每隔四個位填充一位，每次填充的位都取前一個的相反值。
- 先統計 SOF 開始到 CRC 字段之前填充位的個數對 8 取模，將數值以格林編碼的形式存放在高三位，最后一位偶校驗位，校驗前三位。
- 當數據段大于 16 字節，使用 21 位 CRC
- 當數據段小于等于 16 字節，使用 17 位 CRC
3 FlexRay
汽車主動安全和被動安全領域對汽車通信提出了更高的要求。
- 傳輸速率：10MB/s
- 可擴展性：增加刪除節點
- 物理層：要保持簡便且魯棒性
- 傳輸可靠：提高容錯性、確定性
信息傳輸控制：
- 事件觸發控制：發送時間根據事件。可能同時需要發送很多數據，最終導致延遲等問題
- CSMA：CAN 屬于 CSMA（載波監聽多點接入）
- 時間觸發控制：發送時間提前分配好，提前安排好發送時間是必須的。
- TDMA：時分多路訪問方式
3.1 FlexRay 物理層
對底層拓撲結構不做任何要求，可以是 P2P、Bus、Passive star。電阻作用防止高頻信號的干擾，任意兩節點線長最遠不能超過 24 米，這是為了保持信號完整性。可以通過主動星型拓撲結構代替被動星型，以提高通信質量、補償信號失真，但是成本有所上升。實際應用中，經常上述幾種（包括主動星型）混合應用。
上圖描述了 FlexRay 的信號到數據的轉化。同樣是通過兩線（Bus Plus、Bus Minus）的電壓差分來得到數據。總線狀態有以下四種：
- 空閑、低功耗狀態：差分為 0，但兩線都處于低電壓
- 空閑狀態：差分為 0，電壓不低，處于高低電壓中間
- Data1：BP 和 BM 電壓差大于 600mV 表明此時數據是 Data1
- Data0：BP 和 BM 電壓差小于 -600mV 表明此時數據是 Data1
上圖介紹了 FlexRay 總線物理布局。 - μC：Micro Controller 微控制器即 CPU
- CC：通信控制器，組幀、總線訪問、收發報文
- BD：總線驅動，信號轉換
- BG：總線監控器（Bus Guardian），在 CC 和 BD 之間可以增加 BG，防止故障節點在未分配給他們的時隙內出現未經授權的傳輸數據（防止故障節點在錯誤時間訪問總線）。
3.2 FlexRay 通信周期
以通信周期為一個循環，發送數據。每個周期分為 64 個 Cycle（周期）。每個周期分為四個時間段：靜態段（確定性的傳輸報文）、動態段（傳輸事件驅動的報文）、符號窗口（傳輸特殊符號）、網絡空閑時間段（不會通信）。每個周期靜態段和空閑時段是必須的，其他兩個是可選的。
靜態段基于 TDMA 通信，靜態段可以平均劃分分為 2 - 1023 個 slot，slot 長度、個數由兩個靜態變量定義。每個 slot 放一個靜態幀，每個靜態幀由頭、有效負載、尾、幀結束組成。CID（通信控制界定符）用來表示幀的結束。
動態段用來傳輸事件驅動報文。動態段分為多個動態 slot（槽），動態 slot 大小不同，有一個最小單位gdMiniSlot，動態 slot 可由一到多個 gdMiniSlot 組成。動態段最多 2047 個動態 slot，最多可劃分為 7986 個 gdMiniSlot。
符號窗口大小是固定的，用于傳輸符號而非報文數據。符號有三種：沖突避免符號（用于表示第一個通信周期的開始）、介質測試符號（用于測試總線監控器）、喚醒符號（用于喚醒 FlexRay 網絡）。通信周期的末尾是網絡空閑段，用于同步本地時鐘，不進行數據通信。
3.3 FlexRay 幀結構
- 幀頭：存放屬性信息，40位
- Start bits：5 位
- 1：保留位 1 位，默認發送 0
- 2：Payload preamble indicator，動態靜態報文不同，含義也不同
- 3：Null frame indicator，指示 payload 是正常還是無效
- 4：Sync frame indicator，判斷該幀是否為同步幀
- 5：Startup frame indicator，判斷該幀是否為啟動幀
- Frame id：報文ID
- Payload length：數據大小，范圍 0-127，單位是 字，規定一個字為兩字節
- Header CRC：幀頭 CRC，校驗范圍從 4 開始到 Header CRC 之前
- Cycle count：周期計數器，范圍 0-63
- Start bits：5 位
- 有效負載：最多 254 字節
- 靜態報文可以使用有效負載指示位，把 payload 前 12 個字節作為傳輸網絡管理向量，可以進行網絡管理
- 動態報文則可以把 payload 前 2 個字節作為報文標識符，既 message id，用于實現更精細的區分依據。
- 幀尾：存放 CRC 校驗所求結果，校驗范圍是前面所有。
3.4 FlexRay 總線訪問
FlexRay 支持單雙通道。不同通信通道通信相互獨立。
如上圖是靜態段訪問方式：想要保證數據正確，可以采用節點 K 所示，在不同通信通道發送相同數據；想要增加帶寬，如節點 L 所示，在不同通信通道發送不同的數據。
動態段發送事件驅動的報文，由于不同通信通道相互獨立，因此可以在相同的槽發送不同的大小的數據。 最遲發送時間，即超過這個時間發送的事件驅動的報文，不允許發送，只能等待下一個周期。
周期內嚴格按照周期調度表發送幀，為了提高傳輸速率，多個周期可以使用復合調度表，在不同的周期發送不同的幀。例如靜態復用周期和動態復用周期。
如圖，靜態段，同一節點、相同的槽發送了不同的幀。
如圖，動態段相對更加靈活，相同的槽可以給不同的節點發送，也可以個相同的節點發送不同的幀，每次發送的幀的大小都可以不同。
4 LIN
之前傳感器和執行器也接入 CAN ，隨著 ECU 增多，每個傳感器和執行器都需要 CAN Controller 和CAN 收發器，此外也會增加 CAN 總線的長度、數量，成本高。為此提出了一個解決方案，傳感器和執行器接入低成本總線，低成本總線接入某個 ECU，就可以和整個 CAN 通信。
典型應用是在舒適領域，后視鏡調節、電動車窗、雨刷等等。
- NCF：節點性能文件，定義了節點名稱和屬性
- LDF：LIN 描述文件，描述了 LIN 網絡信息，網絡中所有信號和報文在這里聲明
4.1 LIN 物理層
LIN 只需要一根線，不需要控制器，可以接在 UART/SCI 上，因此 LIN 是基于 UART 幀結構通信。
上圖表示了 LIN 的電信號和數字信號的關系。
- recessive：為 1
- dominant：為 0
LIN 總線有兩種同步：初始同步、重同步。為了降低成本，LIN 總線無時鐘線，從節點采用低成本的 2c 震蕩器，并允許最大 14% 的時鐘偏差。
上圖所示為初始時鐘同步，LIN 總線空閑時為 1，數據開始傳輸時，由主節點（即主 ECU）實現時鐘同步。主節點，發送同步間隔段和同步段。同步間隔段由至少 13 個 0 和 1 個分隔符（值為 1）組成。同步段的值為 0x55。
從節點收到同步段，把第一個下降沿和最后一個下降沿相隔時間除以 8，得到主節點的單個位的時間。然后根據結果調整自身速率和主節點保持一致。初始同步實現了所有節點和主節點時鐘同步。
重同步即數據傳輸過程中利用 UART 通信幀進行時鐘同步。
4.2 LIN 通信原理及幀結構
主節點有總任務和從任務，主任務發送了 header，從任務負責發送 response 或接受 response 或不發送也不接受。
如圖所示，LIN-Master 根據調度表發送 header，t0 時刻 Master 發送了 header，之后從節點 slave1 發送響應，slave3 接收了響應，slave2 不發送也不接受。由此可知，LIN 報文由 header 和 response 組成。
- 同步間隔段：至少 13 個 1（值為 0，顯性），和一個界定符（值為 1，隱性），其他字段都符合 UART 不超過 10 個位。
- 同步段：0x55
- 保護標識符段：PID，6 位 ID 和 2 位奇偶校驗位組成。ID：范圍是 0-63。60、61 用于診斷。 62、63 保留。
response 由數據段和校驗段組成。數據段最多 8 個字節。校驗方式有兩種，如下： - 經典校驗：只包含數據段
- 增強校驗：包含前面的 PID
4.3 LIN 調度機制及報文類型
由上圖可計算 header、response 的數據傳輸時間。但是數據不光有傳輸時間，傳輸過程中還有時間間隔沒有計算，稱為時間余量（Time Reserve）。
時間余量有兩種：
- Inter-byte space 即字節間的傳輸間隔
- Response space 即響應間隔
一幀 LIN 報文時間余量最大為額定傳輸時間的 40%，即一幀 LIN 報文傳輸時間最大為額定傳輸時間的 1.4 倍。
幀時隙：【我的理解是前一幀結束到本幀的同步間隔第一個下降沿的時間，但是 b 站 vector 官方不是這么講的，我感覺意思一樣】報文同步間隔下降沿與幀時隙起始時刻相差的時間。
LIN 幀的槽最大時間為幀時隙 + 幀最大傳輸時間。
真實的 frame slot 是由若干個最小單位 mini slot 組成。mini slot 與 time base（時機）一致。時機用于主節點執行調度控制，一般為 5ms 或 10ms。主節點可以有多個調度表，并且在其中切換。
LIN 有四種報文類型：
- 無條件幀（Unconditional frame 0-59）：一個 response 對應一個 header，
- 事件觸發幀（Event triggered frame 0-59）：典型應用是
- 偶發幀（Sporadic frame 0-59）：
- 診斷幀（60-61，60 master diagnostic request frame，61 slave）
無條件幀5-8發生變化頻率較低，并且滿足事件觸發幀關聯條件，則可以用事件觸發幀代替無條件幀5-8，當主節點調度表執行到事件觸發幀時，只有關聯的從節點的無條件幀的信號發生變化才會返回 response。當有多個從節點響應時會切換到沖突解決調度表。
4.4 LIN 狀態管理和網絡管理
狀態管理的目的是檢測各個節點運行過程中的錯誤。
每個從節點在其發送的某個無條件幀中包含一個 response error 的標量信號，通過該信號向主節點報告自身狀態。主節點接受并分析。LIN 沒有標準化制定錯誤類型，用戶可以根據需要自行制定。
網絡管理主要指的是網絡的休眠和喚醒。從節點有三種狀態：
- 初始化：第一次連接電源、復位或喚醒后進入初始化，初始化完畢后進入運行狀態，初始化不能超過 100ms
- 運行狀態：可以進行 LIN 報文的收發
- 總線休眠：運行狀態收到休眠命令或總線靜默4-10秒時，進入休眠狀態。休眠狀態，總線保持隱性電平。主從節點都可以向總線發送喚醒信號，當接收到喚醒信號或者由于內部原因喚醒，后又會進入初始化狀態。
喚醒信號為：250us - 5ms 的顯性電平（值為 0），150ms - 250ms 總線沒有其他信號，可以再發送喚醒信號，最多連續發 3 次，之后必須等待至少 1.5s 才能繼續發送喚醒信號。
主節點可以發送休眠命令，使 LIN 子網進入休眠模式。休眠命令為 ID為診斷報文 0x3c，數據字段第一個為 0x00（其他節點會只關注數據節點的第一個字節）。
5 J1939
美國工程汽車協會制定的通信標準。物理層和鏈路層都是使用的 CAN，幀格式是 CAN 擴展幀。詳細規定了 29 位 ID，數據單元為 parameter group 即參數組。參數組是由參數組編號（PGN）標識。
下圖所示，底層是 CAN 通信的物理層和數據鏈路層，上層是應用層以及其他高層。
有兩種通信方式：
上圖，#3 和 #11 通過參數組 TSC1 來控制發動機扭矩進行 P2P 通信，#23 通過參數組 RQST 進行廣播通信。
5.1 參數組和信號
PDU，Parameter Data Unit ，應用層或網絡層的數據單元。
PGN，Parameter Group Number，PG 參數組，具有相關性并且傳輸速率相同的一組信號，每個參數組都有唯一的編號，即 PGN。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的CAN\CANFD\FlexRay\LIN 一文深度解析常见通信协议的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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