3 CAN错误帧、过载帧、帧间隔

一、错误帧、过载帧、帧间隔的格式

  这三种帧的格式远比数据帧简单，但它背后的机制比较复杂，需要重点掌握，详细的机制后面讲，先看每种帧的格式。

1、错误帧

  当节点检测到总线上有错误出现时，会发送一包错误帧。格式如下图所示：

（1）错误标志

  错误标志分为两类：主动错误标志和被动错误标志。
  主动错误标志为6个显性电平，被动错误标志为6个隐性电平。

（2）错误界定符

  错误界定符为8个隐性电平。
  但实际使用中错误帧的格式一般如下所示，在错误标志后面，可能还会有0~6位的错误标志重叠。原因后续再讲。

2、过载帧

  当节点正在忙，却检测到总线上有数据在发送，则会发送一包过载帧，格式如下图所示：

（1）过载标志

  过载标志为6个显性电平。

（2）过载界定符

  过载界定符为8个隐性电平。
  同样的，实际使用中过载帧的格式一般如下所示，在过载标志后面，可能还会有0~6位的过载标志重叠。

3、帧间隔

  当需要连续发送多个数据帧时，需要在每帧之间加一包帧间隔。帧间隔有两种形式，
  主动错误状态：间隔段+空闲段。
  被动错误状态：间隔段+暂停段+空闲段。

（1）间隔段

  间隔段为3个隐性电平

（2）暂停段

  只出现在被动错误状态，为8个隐性电平。

（3）空闲段

  空闲段就是总线的空闲状态，即隐性电平，个数无所谓。

二、错误种类

  CAN之所以有很强的可靠性，离不开它的错误检测机制，CAN总线一共有5中错误：

1、位错误

  节点将自己发送到总线上的电平与从总线上读回的电平进行比较，如果二者不一致，则产生位错误。
  不过有3种例外不属于位错误：
  （1）在仲裁区，节点发送隐性位却读到显性位，表示该节点仲裁失败，故不认为是位错误。
  （2）ACK标记，发送节点的ACK标记为隐性电平，如果某个节点成功接收到数据并CRC校验成功，则该位被接收节点拉为显性电平，故不认为是位错误。
  （3）节点发送被动错误帧的错误标志时，该标志为6个隐性电平，很有可能因为“线与”的特性，被其他节点的电平线与，而读到显性电平，故不认为是位错误。

2、ACK错误

  节点发送隐性电平的ACK标记后，如果某个节点成功接收数据，该接收节点会把ACK标记拉为显性电平，如果在ACK标记时间段内，发送节点没有读到显性电平，则产生ACK错误。

3、填充错误

  CAN有一个特殊的同步机制，它利用了传输数据的电平跳变进行节点间的时钟同步，但是如果电平一直不跳变怎么办？所以CAN引入了填充机制，CAN规定，当相同极性的电平持续5位时，则添加一个极性相反的位。这样就能保证最大不会超过5位，节点间就能进行一次时钟同步。
  对于发送节点，在发送数据帧和遥控帧时，在SOF~CRC之间的位（包含SOF，不包含CRC界定符），如果相同极性的电平持续5位，那么插入一位极性相反的电平。
  对于接受节点，在接受数据帧和遥控帧时，在SOF~CRC之间的位，如果接受到相同极性的电平持续5位，那么删除接收到的下一个位。
  如下图所示：

  所以节点检测到总线上的数据帧和遥控帧的SOF~CRC之间出现连续6个极性相同的电平时，产生填充错误。

4、CRC错误

  发送节点和接收节点均会对数据帧和遥控帧的SOF~Data段的位（包含SOF）进行CRC校验，如果两个节点计算的CRC不一致，则接收节点产生CRC错误。

5、格式错误

  每种帧都会存在已经有预定值的区域，如果节点检测到这些区域与预定值不同，则产生格式错误。
  有预定值的区域：数据帧和遥控帧的CRC界定符、ACK界定符、EOF；错误帧界定符；过载帧界定符。

三、节点错误状态

  对每一节点，它总是处于如下三种状态之一：主动错误状态、被动错误状态、总线关闭状态。它们的转换关系如下图所示：

  每个节点，都有两个计数器：TEC，发送错误计数器；REC，接收错误计数器。可以发现，状态之间的扭转，主要靠TEC和REC这两个值，这两个值的变化主要如下表所示。一定要注意，这两个计数器不是计收发报文的数量，也不是收发错误帧的数量。

1、主动错误状态

  节点初始化完毕后，进入主动错误状态，在该状态下，一旦检测到错误，则会发送主动错误状态的错误帧。
  如果发送节点检测到错误，则之前的帧会先停止发送，再发出主动错误帧，表示之前的帧有错误，被主动破坏掉。因为主动错误标志是6个显性电平，根据线与特性，总线上一定会出现6个显性电平，这就使得接收节点会检测出位填充错误，因为每5个连续相同极性的电平必须要跟一个极性相反的电平。当错误帧发送完毕后，需要发送主动错误状态下的帧间隔。
  如果接受节点检测到错误，它会直接发送主动错误帧，表示当前发送节点发送的帧有错误，同时因为线与特性，正在发送的帧也会被破坏掉。同时其他的接收节点也会检测到填充错误。
  如下图所示，发送节点检测到位错误，它会直接产生主动错误帧，同时其他的接收节点因为主动错误标志，检测到填充错误，也会产生主动错误帧，最后，他们在总线上产生的错误帧的主动错误标志由6个隐性电平，直接扩大到了12个，这就是错误标志重叠区的由来。当主动错误帧发送完毕，会紧跟着一个帧间隔，因为这是主动错误状态，故帧间隔只有间隔段。显然，错误帧的错误界定符的8个显性电平+帧间隔的间隔段的3个显性电平，总线上共出现了连续11个显性电平，总线进入空闲状态。

  下图展示了另一种报错误帧的情况，发送节点检测到位错误，产生错误帧，然后接收节点产生填充错误帧，此时，错误标志重叠区由6位扩展到了10位。

  处于主动错误状态，说明这个节点目前是比较可靠的，出现错误的原因可能不是它本身的问题，即刚刚检测到的错误可能不仅仅只有它自己遇到，正是因为这一点，总线才相信它报告的错误，允许它破坏掉发送中的报文。

2、被动错误状态

  在主动错误状态下，如果节点的TCE>127或者REC>127，它就会进入被动错误状态。在该状态下，一旦检测到错误，则会发送被动错误状态的错误帧。
  如果发送节点检测到错误，则之前的帧会先停止发送，再发出被动错误帧，表示之前的帧有错误，被主动破坏掉。但因为被动错误标志是6个隐性电平，它不会影响总线上的电平。错误帧结束后，要发送被动状态下的帧间隔，它包含间隔段和暂停段，因为间隔段+暂停段是连续11个隐性电平，故总线进入空闲状态。其他的节点可以参与总线仲裁。
  如果接收节点检测到错误，它会直接发送被动错误帧，表示当前发送节点发送的帧有错误，同样的，也不会影响总线上的电平，发送节点会接续发送，其他的接收节点也会继续接收。
  之所以有被动错误状态，说明这个节点目前是不太可靠的，出现错误的原因可能是它本身的问题，即刚刚检测到的错误可能仅仅只有它自己遇到，正是因为这一点，总线才不信任它报告的错误，从而只允许它发送六个连续的隐性位，这样它才不会拖累其他节点。

3、总线关闭状态

  在被动错误状态下，如果节点的TEC ＞ 255，它就会进入总线关闭状态。在总线关闭状态下的节点不能向总线上发送报文，也不能从总线上接收报文，整个节点脱离总线。等到检测到128次11个连续的隐性位时，TEC和REC置0，重新回到主动错误状态。

四、错误帧

  有关错误帧的使用的机制，上面几节基本上已经讲完了。还剩下错误帧的发送时机。
  当节点检查到位错误、填充错误、格式错误、ACK错误时，会在错误产生的下一位马上开始发送错误帧。
  当节点检查到CRC错误时，会在ACK界定符之后发送错误帧。

五、过载帧

  当某个节点没有做好接收下一帧数据的准备时，会发送过载帧。
  过载帧的过载标志为6个显性电平，显然会直接屏蔽其他节点发送的数据，导致填充错误，强制令发送节点停止发送。
  一般情况下，会有3中情况引起过载帧：
  （1）接收节点自身原因，接收节点因为某种原因需要延迟接收下一包数据帧或者遥控帧。
  （2）在帧间隔的间隔段的前两位检测到显性电平，因为正常的间隔段是3个隐性电平，如果突然检测到显性电平，一般是数据帧的SOF，这说明有节点想要发送数据，但CAN规定，此时不允许有其他节点发送报文，故要发送过载帧，破坏发送节点的数据，推迟发送。
  （3）在错误界定符或过载界定符的第8位，检测到显性电平，同样的道理，此时也是不允许其他节点发送数据，故要发送过载帧。

六、帧间隔

  帧间隔用于将数据帧或远程帧和他们之前的帧分离开，但过载帧和错误帧前面不会插入帧间隔。如下图所示

  它能够避免处于被动错误状态的节点长期占用总线，保证主动错误节点优先发送。