CAN\CANFD\FlexRay\LIN 一文深度解析常见通信协议
本文重点介绍一些局域网通信协议，我是通过 B 站 Vector 官方的视频学习的。
J1939 部分感觉和 CAN 差不多就没有详细继续学习，另外感觉 J1939 官网讲的一般。
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文章目录
- 1 CAN 通信
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- 1.1 CAN 通信节点
- 1.2 寻址 Address
- 1.3 Bus Access 总线访问机制
- 1.4 CAN Framing 帧格式
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- 帧错误检测机制
- 发送方错误检测
- 接收方错误检测
- 错误帧
- 错误状态
- 2 CAN FD
- 3 FlexRay
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- 3.1 FlexRay 物理层
- 3.2 FlexRay 通信周期
- 3.3 FlexRay 帧结构
- 3.4 FlexRay 总线访问
- 4 LIN
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- 4.1 LIN 物理层
- 4.2 LIN 通信原理及帧结构
- 4.3 LIN 调度机制及报文类型
- 4.4 LIN 状态管理和网络管理
- 5 J1939
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- 5.1 参数组和信号
1 CAN 通信
CAN 通信适用于局域网场景，高速 CAN 最高 1 MB/S，低速 CAN 最高 125KB/S。常用于工业系统、车载场景等，相比于互联网的七层或四层网络通信协议， CAN 通信不需要 IP 地址，而且汽车的各个局部通信网络，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 通信使用网关互相通信。网关还可以做中继器，放大信号，提升传输距离。
1.1 CAN 通信节点
- MicroController：控制器把数据发送给 CAN 控制器
- CAN Controller：报文的封装、检查、总线访问以及 bit-timing
- CAN-Transceiver：收发报文
- 两端的电阻：保证信息传输过程中的阻抗连续性
1.2 寻址 Address
两种寻址方式：
- Node Address 点对点寻址：发送者选择目标地址
- Broadcast Address 广播寻址：接收者选择是否接受
CAN 采用的是广播寻址。CAN Controller（CAN 控制器）中有 Filter（过滤器），来选择接受应用需要的数据。
过滤器原理：
- 第一种：CAN-TX 和 CAN-RX，通过收到的标识符和 CAN-TX 中比较，CAN-TX 中为 1 的段，则是必须匹配的位（必须相等）
- 第二种和第一种类似，具体忘了，但是原理差不多
- 第三种：和每个 CAN-Controller 内部寄存的标识符进行匹配
1.3 Bus Access 总线访问机制
非破坏性总线仲裁机制。根据标识符判断优先级，优先级高的优先发送，优先级低的之后再发送（或新一轮的仲裁）。
仲裁方法：标识符 ID 发到总线上时，进行总线与运算，假设和某个 CAN 节点 A 的标识符 ID （标准振标识符范围 [0, 2047]，标识符 ID 有点类似身份证 ID）不同时，A 停止发送转为接受模式，即标识符越小优先级越高。
1.4 CAN Framing 帧格式
- 标准帧
- 标准帧（11 ID + 0~8 bytes data）
- 标准远程帧（11 ID + 0 byte data）
- 扩展帧
- 扩展帧（29 ID + 0~8 bytes data）
- 扩展远程帧（29 ID + 0 byte data）
- SOF：0（显性电位为 0，隐性电位为 1，总线空闲默认为 1），帧起始，接收节点收到帧起始会和总线时钟进行同步（硬同步、重同步，这里是硬同步）。
- 仲裁字段
- ID：高位在前
- RTR：远程帧请求，远程帧为 0，表示是数据帧，否则是远程帧。远程帧表明接受该帧的节点即不主动发送数据，当他收到远程帧时，才开始发送数据，减少占用 CAN 的通信。
- 控制字段
- IDE：表示是否是扩展帧，IDE 为 1 是扩展帧
- r：保留位
- DLC：数据长度，合理范围是 0 - 8，超过则表示 8 字节
- 数据字段
- 校验字段
- CRC：15位校验位
- DEL（delimter）：分隔符，无意义，为 1
- 确认字段
- ACK：发送节点，该位都为 1，接受节点 CRC 正确则在 ACK 位时，该位置置为 0，否则还是 1。如果发送节点回读 ACK 是 0，继续发送，否则停止发送，下一次发送一个错误帧。（下一次发送错误帧不太理解）
- DEL
- EOF + ITM：结束字段 + 帧间隔
位填充：
- 出现了五个相同的位（包括填充位），就在下一个位置填充一个相反的位。
- 范围从 SOF 开始一直到 CRC。
帧错误检测机制
- 位监控：回读发送出去的位的数据
- ACK 位：发送数据的节点回读 ACK 是 0，继续发送，否则意味着发生错误停止发送
- Stuff Check：填充检测
- CRC 检测
- Form 检测：一些分隔符 del 等
发先帧错误后：某一个节点检查到发送或者接受的帧出现错误，会以发送错误帧的方式告知其他参与通信的节点，当前正在发送或者接受的帧是有问题的。
发送方错误检测
位监控指的是发送方发送出去某一位后，回读总线数据，如果回读数据和发送的数据不同，那么就表明总线数据发生错误。
仲裁段标虚线表示不能完全使用位监控。因为仲裁机制，因此这里如果出现了发1读0，则认为是仲裁失败而非发送错误。发送节点会转而变成接收节点。但是发0读1肯定是错误，因为仲裁是取较小的值，所以这里肯定是发生了错误，因此是虚线。
除了位监控之外就是 ACK，发送方 ACK 默认为 1，然后回读 ACK，如果 ACK 不为 0，则表明发生错误。
接收方错误检测
首先是位填充检测，从帧起始到 CRC。出现连续六个及以上的连续位表明肯定发生了错误。
CRC 从仲裁字段到 CRC 字段，计算 CRC 是否正确。
格式检查，分隔符、结束符。
ACK 位监控，即回读 ACK 位，接收方需要根据前面的检测结果写 ACK 位，如果数据没问题写入 0，否则写入 1。这时接收方变成了发送方，因此也有了位监控的错误检查。
错误帧
错误帧格式：6位错误标识和8位错误界定符（分隔符）
除 CRC 错误之外，检查到错误时，会从下一位立即开始发送错误帧，CRC 检查到错误会在 ACK 位向接收节点发送 1，然后 ACK 界定符之后发送错误帧。
- 错误主动节点：错误帧为 6 个 0，8 个 1
- 错误被动节点：错误帧为 6 个 1，8 个 1
错误帧的前 6 位错误标识符是为了触发参与通信节点的位填充错误，触发之后其他参与通信的节点也会发送错误帧，6 个 0 的情况下的表现为，可能发送的 0 的个数大于 6，如图所示为 12（6 + 6），6 个 1 的情况下为可能发送完 6 个 1 之后还会发送多个 0，然后再进入错误分隔符，错误分隔符 + 帧界定符总共 11 个 1，11 个 1 表明总线又再次处于空闲状态。那么发送节点就可以根据数据进行重发。
错误状态
每个节点一定处于上述三种状态，每个节点有两个值，TEC\REC，TEC\REC 变化的大致规则：
- 作为发送节点率先发现错误，则 TEC + 8
- 作为接收节点率先发现错误，REC + 8，如果作为接收节点接收到了别人的错误帧，则 REC + 1
- 成功接受 REC - 1，成功发送 TEC - 1
主动错误状态节点，可以在帧界定符之后继续发送；而错误被动节点必须还要再等待 8 个字符才能开始发送。总线关闭节点不允许访问总线。
2 CAN FD
硬件、协议轻微改动。CAN FD 数据段最多 64 字节。CAN FD 最高支持 8MB/s 的传输速率。CAN FD 采用可变速率，数据字段传输快。
CAN FD 没有远程帧，只分为两种：标准帧（标识符 11 位）和扩展帧（标识符 29 位）。
- SOF：帧起始
- 标识符ID
- RRS 代替原来的 CAN 帧的 RTR
- IDE：表示是否是扩展帧
- FDF：表示是否是 CAN 帧还是 CAN FD 帧
- r：保留位
- BRS（Bit Rate Switch）： 之后数据段传输是否变换速度，BRS 之前属于仲裁段，会以低速传输；BRS 开始到 CRC 分隔符为止，属于数据段，可以高速传输。CRC 分割符之后，由于需要 ACK 应答，因此又变为低速传输。
- ESI：用来告知其余节点，发送方的错误状态。
- DLC：0-8 线性表示数据长度，9-15离散的表示数据长度。
- CRC：根据不同的数据长度使用不同长度的 CRC 校验。CAN 使用 15 位的 CRC 校验，且不包含填充位。CAN FD CRC 包含数据填充位。CAN FD 在 CRC 字段的前四位增加了对前面填充位的计数校验，前面的填充同样是 5 个相同位跟一个相反的位。CRC 字段不适用之前的填充，而是使用固定位填充，从 CRC 字段开始位置开始填充，每隔四个位填充一位，每次填充的位都取前一个的相反值。
- 先统计 SOF 开始到 CRC 字段之前填充位的个数对 8 取模，将数值以格林编码的形式存放在高三位，最后一位偶校验位，校验前三位。
- 当数据段大于 16 字节，使用 21 位 CRC
- 当数据段小于等于 16 字节，使用 17 位 CRC
3 FlexRay
汽车主动安全和被动安全领域对汽车通信提出了更高的要求。
- 传输速率：10MB/s
- 可扩展性：增加删除节点
- 物理层：要保持简便且鲁棒性
- 传输可靠：提高容错性、确定性
信息传输控制：
- 事件触发控制：发送时间根据事件。可能同时需要发送很多数据，最终导致延迟等问题
- CSMA：CAN 属于 CSMA（载波监听多点接入）
- 时间触发控制：发送时间提前分配好，提前安排好发送时间是必须的。
- TDMA：时分多路访问方式
3.1 FlexRay 物理层
对底层拓扑结构不做任何要求，可以是 P2P、Bus、Passive star。电阻作用防止高频信号的干扰，任意两节点线长最远不能超过 24 米，这是为了保持信号完整性。可以通过主动星型拓扑结构代替被动星型，以提高通信质量、补偿信号失真，但是成本有所上升。实际应用中，经常上述几种（包括主动星型）混合应用。
上图描述了 FlexRay 的信号到数据的转化。同样是通过两线（Bus Plus、Bus Minus）的电压差分来得到数据。总线状态有以下四种：
- 空闲、低功耗状态：差分为 0，但两线都处于低电压
- 空闲状态：差分为 0，电压不低，处于高低电压中间
- Data1：BP 和 BM 电压差大于 600mV 表明此时数据是 Data1
- Data0：BP 和 BM 电压差小于 -600mV 表明此时数据是 Data1
上图介绍了 FlexRay 总线物理布局。 - μC：Micro Controller 微控制器即 CPU
- CC：通信控制器，组帧、总线访问、收发报文
- BD：总线驱动，信号转换
- BG：总线监控器（Bus Guardian），在 CC 和 BD 之间可以增加 BG，防止故障节点在未分配给他们的时隙内出现未经授权的传输数据（防止故障节点在错误时间访问总线）。
3.2 FlexRay 通信周期
以通信周期为一个循环，发送数据。每个周期分为 64 个 Cycle（周期）。每个周期分为四个时间段：静态段（确定性的传输报文）、动态段（传输事件驱动的报文）、符号窗口（传输特殊符号）、网络空闲时间段（不会通信）。每个周期静态段和空闲时段是必须的，其他两个是可选的。
静态段基于 TDMA 通信，静态段可以平均划分分为 2 - 1023 个 slot，slot 长度、个数由两个静态变量定义。每个 slot 放一个静态帧，每个静态帧由头、有效负载、尾、帧结束组成。CID（通信控制界定符）用来表示帧的结束。
动态段用来传输事件驱动报文。动态段分为多个动态 slot（槽），动态 slot 大小不同，有一个最小单位gdMiniSlot，动态 slot 可由一到多个 gdMiniSlot 组成。动态段最多 2047 个动态 slot，最多可划分为 7986 个 gdMiniSlot。
符号窗口大小是固定的，用于传输符号而非报文数据。符号有三种：冲突避免符号（用于表示第一个通信周期的开始）、介质测试符号（用于测试总线监控器）、唤醒符号（用于唤醒 FlexRay 网络）。通信周期的末尾是网络空闲段，用于同步本地时钟，不进行数据通信。
3.3 FlexRay 帧结构
- 帧头：存放属性信息，40位
- Start bits：5 位
- 1：保留位 1 位，默认发送 0
- 2：Payload preamble indicator，动态静态报文不同，含义也不同
- 3：Null frame indicator，指示 payload 是正常还是无效
- 4：Sync frame indicator，判断该帧是否为同步帧
- 5：Startup frame indicator，判断该帧是否为启动帧
- Frame id：报文ID
- Payload length：数据大小，范围 0-127，单位是 字，规定一个字为两字节
- Header CRC：帧头 CRC，校验范围从 4 开始到 Header CRC 之前
- Cycle count：周期计数器，范围 0-63
- Start bits：5 位
- 有效负载：最多 254 字节
- 静态报文可以使用有效负载指示位，把 payload 前 12 个字节作为传输网络管理向量，可以进行网络管理
- 动态报文则可以把 payload 前 2 个字节作为报文标识符，既 message id，用于实现更精细的区分依据。
- 帧尾：存放 CRC 校验所求结果，校验范围是前面所有。
3.4 FlexRay 总线访问
FlexRay 支持单双通道。不同通信通道通信相互独立。
如上图是静态段访问方式：想要保证数据正确，可以采用节点 K 所示，在不同通信通道发送相同数据；想要增加带宽，如节点 L 所示，在不同通信通道发送不同的数据。
动态段发送事件驱动的报文，由于不同通信通道相互独立，因此可以在相同的槽发送不同的大小的数据。 最迟发送时间，即超过这个时间发送的事件驱动的报文，不允许发送，只能等待下一个周期。
周期内严格按照周期调度表发送帧，为了提高传输速率，多个周期可以使用复合调度表，在不同的周期发送不同的帧。例如静态复用周期和动态复用周期。
如图，静态段，同一节点、相同的槽发送了不同的帧。
如图，动态段相对更加灵活，相同的槽可以给不同的节点发送，也可以个相同的节点发送不同的帧，每次发送的帧的大小都可以不同。
4 LIN
之前传感器和执行器也接入 CAN ，随着 ECU 增多，每个传感器和执行器都需要 CAN Controller 和CAN 收发器，此外也会增加 CAN 总线的长度、数量，成本高。为此提出了一个解决方案，传感器和执行器接入低成本总线，低成本总线接入某个 ECU，就可以和整个 CAN 通信。
典型应用是在舒适领域，后视镜调节、电动车窗、雨刷等等。
- NCF：节点性能文件，定义了节点名称和属性
- LDF：LIN 描述文件，描述了 LIN 网络信息，网络中所有信号和报文在这里声明
4.1 LIN 物理层
LIN 只需要一根线，不需要控制器，可以接在 UART/SCI 上，因此 LIN 是基于 UART 帧结构通信。
上图表示了 LIN 的电信号和数字信号的关系。
- recessive：为 1
- dominant：为 0
LIN 总线有两种同步：初始同步、重同步。为了降低成本，LIN 总线无时钟线，从节点采用低成本的 2c 震荡器，并允许最大 14% 的时钟偏差。
上图所示为初始时钟同步，LIN 总线空闲时为 1，数据开始传输时，由主节点（即主 ECU）实现时钟同步。主节点，发送同步间隔段和同步段。同步间隔段由至少 13 个 0 和 1 个分隔符（值为 1）组成。同步段的值为 0x55。
从节点收到同步段，把第一个下降沿和最后一个下降沿相隔时间除以 8，得到主节点的单个位的时间。然后根据结果调整自身速率和主节点保持一致。初始同步实现了所有节点和主节点时钟同步。
重同步即数据传输过程中利用 UART 通信帧进行时钟同步。
4.2 LIN 通信原理及帧结构
主节点有总任务和从任务，主任务发送了 header，从任务负责发送 response 或接受 response 或不发送也不接受。
如图所示，LIN-Master 根据调度表发送 header，t0 时刻 Master 发送了 header，之后从节点 slave1 发送响应，slave3 接收了响应，slave2 不发送也不接受。由此可知，LIN 报文由 header 和 response 组成。
- 同步间隔段：至少 13 个 1（值为 0，显性），和一个界定符（值为 1，隐性），其他字段都符合 UART 不超过 10 个位。
- 同步段：0x55
- 保护标识符段：PID，6 位 ID 和 2 位奇偶校验位组成。ID：范围是 0-63。60、61 用于诊断。 62、63 保留。
response 由数据段和校验段组成。数据段最多 8 个字节。校验方式有两种，如下： - 经典校验：只包含数据段
- 增强校验：包含前面的 PID
4.3 LIN 调度机制及报文类型
由上图可计算 header、response 的数据传输时间。但是数据不光有传输时间，传输过程中还有时间间隔没有计算，称为时间余量（Time Reserve）。
时间余量有两种：
- Inter-byte space 即字节间的传输间隔
- Response space 即响应间隔
一帧 LIN 报文时间余量最大为额定传输时间的 40%，即一帧 LIN 报文传输时间最大为额定传输时间的 1.4 倍。
帧时隙：【我的理解是前一帧结束到本帧的同步间隔第一个下降沿的时间，但是 b 站 vector 官方不是这么讲的，我感觉意思一样】报文同步间隔下降沿与帧时隙起始时刻相差的时间。
LIN 帧的槽最大时间为帧时隙 + 帧最大传输时间。
真实的 frame slot 是由若干个最小单位 mini slot 组成。mini slot 与 time base（时机）一致。时机用于主节点执行调度控制，一般为 5ms 或 10ms。主节点可以有多个调度表，并且在其中切换。
LIN 有四种报文类型：
- 无条件帧（Unconditional frame 0-59）：一个 response 对应一个 header，
- 事件触发帧（Event triggered frame 0-59）：典型应用是
- 偶发帧（Sporadic frame 0-59）：
- 诊断帧（60-61，60 master diagnostic request frame，61 slave）
无条件帧5-8发生变化频率较低，并且满足事件触发帧关联条件，则可以用事件触发帧代替无条件帧5-8，当主节点调度表执行到事件触发帧时，只有关联的从节点的无条件帧的信号发生变化才会返回 response。当有多个从节点响应时会切换到冲突解决调度表。
4.4 LIN 状态管理和网络管理
状态管理的目的是检测各个节点运行过程中的错误。
每个从节点在其发送的某个无条件帧中包含一个 response error 的标量信号，通过该信号向主节点报告自身状态。主节点接受并分析。LIN 没有标准化制定错误类型，用户可以根据需要自行制定。
网络管理主要指的是网络的休眠和唤醒。从节点有三种状态：
- 初始化：第一次连接电源、复位或唤醒后进入初始化，初始化完毕后进入运行状态，初始化不能超过 100ms
- 运行状态：可以进行 LIN 报文的收发
- 总线休眠：运行状态收到休眠命令或总线静默4-10秒时，进入休眠状态。休眠状态，总线保持隐性电平。主从节点都可以向总线发送唤醒信号，当接收到唤醒信号或者由于内部原因唤醒，后又会进入初始化状态。
唤醒信号为：250us - 5ms 的显性电平（值为 0），150ms - 250ms 总线没有其他信号，可以再发送唤醒信号，最多连续发 3 次，之后必须等待至少 1.5s 才能继续发送唤醒信号。
主节点可以发送休眠命令，使 LIN 子网进入休眠模式。休眠命令为 ID为诊断报文 0x3c，数据字段第一个为 0x00（其他节点会只关注数据节点的第一个字节）。
5 J1939
美国工程汽车协会制定的通信标准。物理层和链路层都是使用的 CAN，帧格式是 CAN 扩展帧。详细规定了 29 位 ID，数据单元为 parameter group 即参数组。参数组是由参数组编号（PGN）标识。
下图所示，底层是 CAN 通信的物理层和数据链路层，上层是应用层以及其他高层。
有两种通信方式：
上图，#3 和 #11 通过参数组 TSC1 来控制发动机扭矩进行 P2P 通信，#23 通过参数组 RQST 进行广播通信。
5.1 参数组和信号
PDU，Parameter Data Unit ，应用层或网络层的数据单元。
PGN，Parameter Group Number，PG 参数组，具有相关性并且传输速率相同的一组信号，每个参数组都有唯一的编号，即 PGN。