网络协议

CAN/CAN FD

CAN通信原理

CAN(Controller Area Network)是一种车辆ECU之间的通信方式，CAN协议规定ECU产生的数据（0 1，数字信号）会被转换成电信号通过CAN总线进行传输，而这里的电信号具体指的是电压差，所以CAN总线总是双绞线，一根传输高电平称之为CAN高（CAN_H），一根传输低电平称之为CAN低（CAN_L）。CAN的示意图如下所示。

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对于ECU而言，内部包含CAN收发器和CAN控制器。收发器，顾名思义就是用来传输CAN信号的，故会有两个引脚用来接入CAN高和CAN低。而现在的CAN控制器往往集成在了MCU/SOC芯片的内部，也就是说现在ECU中的MCU/SOC往往具备CAN控制功能。以下图为例，MCU计算的数据转换成电流通过电路板上的导线传递给CAN收发器，CAN收发器接收到之后分别向CANH和CANL输入对应的电平（如向CANH输入3.5v，向CANL输入1.5v）。

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计算机的世界里面只有0和1，一般而言MCU/SOC和CAN收发器之间约定低电平表示0，高电平表示1。假如此时MCU想要表示数据0，那么它会产生一个低电平传递给can收发器，由于CAN协议规定canh和canl之间存在电压差时表示数据显性状态，即数据0；不存在电压差时表示隐形状态，即数据1，所以此时can收发器收到之后会向canh输入一个高电平，假设是3.5v，向canl输入一个低电平，假设是1.5v。此时在can总线上存在2v的电压差，整个can处于显性状态0，总线上的其他ECU也能感知到电压差，也就知道了它收到了一个二进制数0。同理，如果先要表示逻辑1，canh和canl会输出相同的电压（can总线上不传输数据时，由于内部的上拉电阻和其他原因，canh和canl始终处于相同的电压，不会存在电压差，可以理解为can总线一直处于隐性1的状态）。

通过有没有电压差就能表示逻辑0和1了，后续就可以规定什么样的0 1组合表示什么信息，并在can总线上传输了。

CAN报文结构

CAN帧就是一堆电压差/0和1，这些0或1会按照一定的数量和固定的格式进行排列，共同组成一个具备语义的CAN帧。一个CAN帧划分为七大域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、ACK域和帧结束。

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  1. 帧起始（1bit）：由于默认状态下can处于隐性1，所以ECU想要发送数据时，必须让can总线上产生波动，因此这个bit位始终是0
  2. 仲裁域（12bit，标准帧的情况下）
    • CAN ID（11bit，标准帧的情况下）：CAN总线上存在很多的ECU，主机厂给这些ECU制定了唯一的ID，一个CAN ID表示唯一的一个ECU，因此CAN ID类似于身份证号或者门牌号。总线拓扑的特点就是类似于开会，一个ECU发信息所有的ECU都能收到，但是同一时间只能有一个ECU发送信息，所以CAN协议规定根据CAN ID判决这一时刻到底该由谁发送信息：CAN ID越小，优先级越高，话语权越高。所以这个域叫做仲裁域。
    • RTR（1bit）：如果是1表示远程请求帧（一般不会存在），如果是0表示数据帧（一般是这个）。
  3. 控制域（6bit）
    • IDE（1bit）：如果是1表示扩展帧（此时CAN ID的长度为29位），如果是0表示标准帧。
    • 保留位（1bit）：一般是0
    • DLC（4bit）：表示后续数据域的长度，经典CAN中数据的长度范围是08字节，064bit。所以，对于经典CAN而言，1000（8）~1111（15）都表示数据域是8个字节。
  4. 数据域（0~64bit，经典CAN的标准数据帧）：实际的业务数据
  5. CRC域（16bit）
    • CRC序列（15bit）：通过一定的算法计算[帧起始, 数据域]的全部内容，避免数据（电压）因为环境的影响在传输过程中发生改变。
    • CRC界定符（1bit）：固定为1
  6. ACK域（2bit）
    • ACK槽（1bit）：发送方发完CRC界定符后立即发送一个隐性1，并在规定的时间窗口内（比如2μs）检查总线上的信号是0还是1，因为CAN规定如果接收方确认收到了CRC即以前的所有数据，那么必须立即发送一个显性信号0，让发送方知道它成功接收了。
    • ACK界定符（1bit）：固定为1
  7. 帧结束（7bit）：7个1

CAN仲裁机制

总线拓扑的特点就是，一个ECU发送报文，总线上的所有ECU都能够收到，如果同一时刻有多个ECU想要发送数据，哪么到底改由谁发送呢。CAN总线的仲裁机制就是为了解决这个问题的。

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ECU中的CAN收发器具备同时发送和监听报文的能力，即发送电路在向总线输出电信号的同时，接收电路也在同时监听CANH和CANL的电压。

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我们知道CANH和CANL之间有电压差时表示逻辑0，没有电压差时表示逻辑1，而总统一根总线（两根导线）上，有电压差的状态是能够抑制没有电压差的状态，这是物理特性，所以为什么逻辑0也叫做显性状态，逻辑1也叫做隐形状态。因此，同一时刻当所有的ECU在向总线上输入电压表示物理地址时（CAN ID），bit 1会被bit 0所覆盖，导致CAN收发器中的监听电路得到的总线信号和CAN收发器中的发送电路发送的总线信号不一致，此时ECU就不会再进行后续的报文发送了。这就是CAN总线仲裁机制的简单理解，形成的现象可以简记为CAN ID越小，优先级越高。

正是由于这种开始直接发送，仲裁时自动退出的特点，不会干扰最终的仲裁胜出的ECU继续发送报文（不需要再重新发送帧起始和CAN ID了，接着发送后续的bit），所以仲裁机制具备非破坏性。

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CAN信号解析

CAN信号指的就是CAN帧数据域中的数据。

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CAN协议本身没有规定哪些ECU要传输哪些数据、该如何表示数据、同一个帧中不同数据之间怎么排列，这些数据都是由主机厂自己制定的，所有的信号规定都会记录在一个信号矩阵表里面。同一个ECU一般不可能只产生一种数据，而是有多种，那么为了效率，会在同一帧的数据域中一起存放多种数据，所以信号矩阵表中需要规定每个数据在数据域中的起始位、长度、系数、单位等等。

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信号矩阵中的bit起始位并不是按的从左往右的顺序编排的，而是按照下面二维表格的方式定义的bit编号。
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最终还原成线性数组应该是这样的，但是不要去还原，计算的时候没有意义，只是为了强调不是线性顺序，计算的时候应始终以二维表格为工具。

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现在假设起始位是40、长度为13、系数是0.05625、单位是km/h，想要表示时速为90km/h：先在二维表格中找到编号40的位置 ==> 将当前字节走完（如果是大端序，就往当前字节行中的大编号方向填写；如果是小端序，就往当前字节行中的小编好方向填写） ==> 如果位数不够，向其他字节借位（如果采用摩托罗拉序，就向上一个字节借位，再按照大端/小端填写；如果采用因特尔序，就向下一个字节借位，再按照大端/小端填写）。最终在实际的报文中因该呈现如下形式（假设数据域中暂时没有其他信号）：

1
00000000 00000000 00000000 00000000 00000110 01000000 00000000 00000000

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我们从第五个字节和第六个字节中拿出表示车速的二进制数：00110 01000000（这是按照起始位是最低有效位计算的，如果起始位是最高有效位，那么得到的二进制数就应该是00000010 01100），换算成十进制就是1600（原始量），再乘以系数0.05625，最终的结果就是90（物理量），加上单位为90km/h。这里注意：物理量 = 原始量 * 系数 + 偏移量。

CAN FD

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  • RRS：CAN FD中没有远程请求帧，但是为了兼容CAN，所以特定设置了这个位置，值固定为0

  • IDE：是否是扩展帧。如果是0表示是标准帧，如果是1表示是扩展帧

  • FDF：报文中的第15个bit。如果这个值是1表示当前是一个CAN FD的报文，ECU后续会按照CAN FD的结构解析后面的数据（比如说第16个bit表示保留位等等）；如果这个值是0表示当前是一个经典CAN报文，ECU后续会按照经典CAN结构解析后面的数据（比如第16个bit就进入到了DLC的区域）

  • BRS：表示传输[BRS, CRC界定符]之间的区域时是否采用另外一种速率（一般来说是更高的）。在该位之前的所有数据全部采用CAN的通信速率传输（总线的默认传输速率），一般来说是500kbit/s。如果想要提高传输速率则将BRS设置为1，那么此时所有的ECU就会按照之前设定的另一种频率进行通信（注意，CAN FD的可变速率并不是实时的，而是指可以采用总线上默认的速率，也可以采用另外一种提前设定好的速率）；如果BRS设置为0，那么表示还按照总线的默认速率传输

  • DLC：CAN FD中，数据域的长度为[0, 64]字节。但是注意，即便是CAN FD，DLC的区域也只有4个bit，而四个比特最多也就表示“1111”16个字节，所以CAN FD中的DLC有些特殊，二进制表示的字节数如下图所示

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总线终端电阻

终端电阻的作用主要是减少环境干扰，使得信号更加稳定，减少错误帧的出现，终端电阻一般是120Ω

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作用1：消除寄生电容，使显性信号更快地恢复成隐性信号，减少错误帧的出现（假设显性信号对应的电压差是2v且总线没有终端电阻，从显性信号恢复成隐性信号需要4μs，而ECU读取的频率是2μs，那么在2μs时总线上可能还存在0.8v的电压差，对于ECU而言，此时总线仍然表示出显性）

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作用2：消除振铃，减少电流回波的干扰，使信号更加稳定

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位填充机制

在CAN通信中，连续6个0或者1表示一种特殊的信息——错误帧，所以为了区分错误帧和连续6个bit相同的数据帧，CAN协议规定：只要在发送正常的数据时，如果已经连续发送了5个相同的信号，那么ECU将会自动补充发送一个相反的信号；对于接受而言，当ECU收到5个相同的信号时，会自动忽略第6个信号，不讲它作为数据。

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CAN的五种错误

  1. 位错误

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  2. 位填充错误

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  3. 格式错误

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  4. 应答错误

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  5. CRC错误

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CAN节点三状态

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常见的恢复策略

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快恢复+慢恢复

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CAN的错误帧

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当节点A检测到格式错误时，将立即发送主动错误帧：“00000011111111”；节点B会同时检测到格式错误，也会立即发送主动错误帧：“00000011111111”；此时这段时间内，总线状态总体呈现“00000011111111”。

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当节点A检测到位错误时，立即发送主动错误帧“00000011111111”；下面这个例子中，节点B会在节点A发出第二个0时检测出位填充错误，此时立即发送“00000011111111”。当节点A发送完“000000”想要发送”1“时，节点B仍然在发送显性0，显性信号会吞并隐性信号，总线上总体呈现显性0，此时对于节点A而言，他不会认为自己又发生了位错误，而是会意识到是其他的ECU在发送错误帧，会进入等待状态。等其他ECU发送完显性信号0时，再一起发送”11111111“。

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UDS