Конструктор кадра CAN и CAN FD

Как пользоваться конструктором

Выберите формат кадра, введите идентификатор в шестнадцатеричном виде и байты данных — от нуля до восьми. DLC подставится сам: в кадре данных он равен числу байтов. Для удалённого кадра данных нет, и DLC выбирается отдельно. Скорость шины нужна только для длительности: на биты она не влияет.

Под панелью расчёта — лента битов в порядке передачи. Поля окрашены так же, как на схеме кадра в статье о шине CAN, вставленные биты выделены и помечены треугольником, под каждым полем подписано значение. Линия над битами повторяет сигнал на выводе RXD или TXD трансивера: вверху рецессивный уровень, внизу доминантный. Ниже та же информация таблицей — её удобнее читать с телефона.

Переключатель «Слот ACK» задаёт, как кадр выглядит на шине. Передатчик выдаёт в этом слоте рецессивный бит, а приёмники заменяют его доминантным, поэтому на работающей шине там ноль. Вариант «Нет ответа» показывает кадр без подтверждения — таким он виден на выводе TXD передатчика или на шине с единственным узлом.

Переключатель «Протокол» собирает кадр CAN FD в формате ISO 11898-1:2015. Данных — от 0 до 64 байт; если их число не совпадает с длиной, которую можно записать в DLC, кадр дополняется байтом-заполнителем до ближайшей допустимой. Две скорости — номинальная и фазы данных — нужны для длительности кадра; без переключения скорости (BRS = 0) весь кадр идёт на номинальной.

Режим «Разобрать биты» работает в обратную сторону: принимает строку из нулей и единиц классического кадра CAN и раскладывает её по полям. Все параметры хранятся в адресе страницы, так что ссылкой на собранный кадр можно поделиться.

Поля кадра CAN

За кадром следует межкадровый интервал (intermission) — три рецессивных бита. В кадр он не входит, но при подсчёте загрузки шины его прибавляют к каждому кадру: следующий кадр может начаться только после него.

Порядок полей в расширенном кадре выбран не случайно. SRR и IDE стоят там, где у стандартного кадра RTR и IDE, и оба рецессивные. Поэтому при одинаковых первых 11 битах идентификатора стандартный кадр выигрывает арбитраж у расширенного. Полный идентификатор расширенного кадра складывается из двух частей: базовая даёт старшие 11 бит, расширение — младшие 18.

Резервные биты передатчик обязан выдавать доминантными, а приёмник по спецификации Bosch принимает их в любом сочетании. В CAN FD на месте r0 стандартного кадра и r1 расширенного стоит рецессивный бит — признак нового формата. Такие кадры конструктор собирает в режиме CAN FD, а разбор строки битов работает только с классическим CAN.

Спецификация Bosch CAN 2.0 запрещает идентификаторы, у которых семь старших битов рецессивные: в стандартном кадре это 0x7F0–0x7FF. Конструктор соберёт и такой кадр, но предупредит об этом.

Битстаффинг: когда вставляется бит

Приёмники CAN подстраивают свой отсчёт битов по перепадам сигнала, а длинная серия одинаковых битов перепадов не даёт. Поэтому передатчик следит за потоком: после пяти одинаковых битов подряд он вставляет один бит противоположного уровня. Приёмник делает обратное — после пяти одинаковых битов выбрасывает следующий. Если шестой бит оказался таким же, это ошибка заполнения (stuff error).

Три правила, на которых чаще всего ошибаются при ручном разборе:

• Вставленный бит участвует в счёте. Он первый в следующей серии: после вставленной единицы достаточно ещё четырёх единиц, чтобы появилась новая вставка.
• Граница действия — последний бит CRC. Правило работает от SOF до конца последовательности CRC. Разделитель CRC, слот ACK, разделитель ACK и EOF имеют фиксированную форму, вставок в них нет.
• Вставка возможна и после CRC. Если пятый одинаковый бит подряд — последний бит CRC, вставленный бит передаётся сразу за ним, перед разделителем. В записи сети NMEA 2000 из набора тестов sigrok так заканчиваются кадры с CRC 0x0120 и 0x00A0: за пятью нулями идёт вставленная единица и только потом разделитель.

В расчёт CRC вставленные биты не входят: передатчик считает CRC до вставки, приёмник — после удаления.

Как считается CRC-15

CRC кадра CAN — остаток от деления последовательности битов на полином x¹⁵ + x¹⁴ + x¹⁰ + x⁸ + x⁷ + x⁴ + x³ + 1. В шестнадцатеричной записи без старшего члена это 0x4599. В последовательность входят SOF, поле арбитража, поле управления и данные — в том порядке, в каком они передаются, и без вставленных битов.

Спецификация Bosch описывает расчёт как сдвиговый регистр из 15 бит. Перед кадром он обнуляется, а для каждого очередного бита выполняются три действия:

1. Сложить по модулю 2 очередной бит и старший бит регистра.
2. Сдвинуть регистр на один бит влево, в младший бит записать ноль.
3. Если на первом шаге получилась единица, сложить регистр по модулю 2 с 0x4599.

После последнего бита данных в регистре лежит CRC. Она передаётся старшим битом вперёд, все 15 бит. Приёмник выполняет тот же расчёт по принятым битам и сравнивает результат с принятой последовательностью.

В каталоге алгоритмов этот вариант называется CRC-15/CAN: полином 0x4599, начальное значение 0, без отражения и финального XOR. Он есть в калькуляторе CRC, но тот работает с байтами, а в кадре до поля CRC 19 + 8n бит. Выручает нулевое начальное значение: нули перед сообщением результат не меняют. Допишите спереди пять нулевых битов, и заголовок стандартного кадра займёт ровно три байта — число ID · 128 + DLC, для удалённого кадра ещё плюс 64. Байты данных идут за ним без сдвига. У расширенного кадра до CRC 39 + 8n бит, там хватает одного нулевого бита.

Пример: кадр 0x110 с данными 00 11

Соберём вручную стандартный кадр данных с идентификатором 0x110 и двумя байтами 00 11 — он же открыт в конструкторе по умолчанию.

Шаг 1. Поля до CRC. Всего 19 + 16 = 35 бит:

Шаг 2. CRC. Первые три бита — нули, регистр остаётся нулевым. Четвёртый бит — единица: после сдвига регистр складывается с полиномом и становится равным 0x4599. Пятый бит — ноль, но старший бит регистра уже единица, поэтому после сдвига снова выполняется сложение: 0x0B32 ⊕ 0x4599 = 0x4EAB. Дальше так же, бит за битом:

CRC равна 0x4C12, в двоичном виде — 100 1100 0001 0010. Проверка байтовым калькулятором: пять нулей и 35 бит кадра складываются в байты 00 88 02 00 11, и CRC-15/CAN от них — те же 0x4C12.

Шаг 3. Вставленные биты. Под правило попадают 50 бит: 35 бит до CRC и 15 бит CRC. Серий из пяти одинаковых битов четыре:

• четыре младших бита идентификатора и RTR — пять нулей, вставка сразу после RTR, на границе полей;
• DLC0 и четыре старших бита первого байта данных — вставка в середине байта;
• оставшиеся четыре нуля первого байта и старший бит второго — вставка после первого бита второго байта;
• пять нулей внутри CRC — вставка после десятого бита CRC.

Между первой и второй вставками стоят четыре нуля подряд — IDE, r0 и два старших бита DLC. Вставки там нет: серию обрывает единица в DLC.

Шаг 4. Хвост. Рецессивный разделитель CRC, слот ACK — на шине он доминантный, — рецессивный разделитель ACK и семь рецессивных битов EOF.

Кадр целиком, вставленные биты — в скобках:

0001000100000[1]0000100000[1]00000[1]00100011001100000[1]100101011111111

Получилось 64 бита. На скорости 500 кбит/с бит длится 2 мкс, кадр — 128 мкс, вместе с межкадровым интервалом — 134 мкс. Такой кадр — не учебная абстракция: именно эта последовательность записана на выводе RX контроллера MCP2515 отладочной платы Microchip MCP2515DM-BM и опубликована побитово в тестах декодера sigrok. Тесты конструктора сверяют с этими записями семь кадров, стандартных и расширенных, включая два кадра со вставкой после последнего бита CRC.

Расширенный кадр по битам

Идентификатор 0x14611234 разбит на базовую часть 0x518 и расширение 0x11234; между ними — рецессивные SRR и IDE. В этом кадре вставленный бит снова попал на границу полей: пять нулей заканчиваются на r0, и вставка стоит перед DLC. Из-за нулевых байтов данных вставок восемь, а две последние приходятся на CRC, где подряд идут единицы.

Кадр CAN FD по битам

В кадре CAN FD те же начало и конец, что в классическом, но середина устроена иначе. В базовом формате за 11 битами идентификатора идут:

В расширенном формате, как и в классическом, после базового идентификатора стоят рецессивные SRR и IDE и 18 бит расширения, а за ними RRS, FDF, res, BRS, ESI и DLC. Правило пяти одинаковых битов работает от SOF до последнего бита данных. Дальше начинается поле CRC с фиксированными вставленными битами: один перед полем и по одному после каждых четырёх битов, каждый — инверсия предыдущего бита. Если данные закончились пятью одинаковыми битами, обычная вставка не делается: по ISO 11898-1:2015 там стоит только фиксированный бит, и двух вставленных подряд не бывает.

Поле CRC начинается со счётчика: число вставленных битов от SOF до конца данных по модулю 8 в коде Грея и бит чётности. Затем CRC-17, если данных до 16 байт, или CRC-21 для более длинных. Регистр CRC начинает с единицы в старшем разряде, а в расчёт входят все биты от SOF до конца данных вместе со вставленными и четыре бита счётчика; фиксированные вставленные биты в расчёт не входят. Подробнее о том, зачем понадобились счётчик и новое начальное значение, — в статье о CAN FD.

Пример. Кадр с идентификатором 0x42 и байтами 00 01 … 07 с переключением скорости — тот же, что записан на шине в тестах sigrok:

• до конца данных вставлено 10 битов, счётчик — 10 mod 8 = 2, в коде Грея 011, чётность 0; поле счётчика на шине — 0 011 0 1 вместе с фиксированными битами;
• CRC-17 равна 0x1B77F; фиксированных вставленных битов в поле CRC шесть;
• всего 133 бита: 27 на номинальной скорости и 106 — от ESI до разделителя CRC — на скорости фазы данных. При 500 кбит/с и 2 Мбит/с кадр длится 54 + 53 = 107 мкс.

Тот же идентификатор с 64 байтами данных 00 … 3F — 602 бита, CRC-21 0x155D3B, 341,5 мкс на тех же скоростях. Восемь классических кадров по 8 байт с такими данными заняли бы на 500 кбит/с около 2 мс. Тесты конструктора сверяют бит в бит все восемь кадров CAN FD из набора sigrok, а структуру поля CRC — с примерами из технического документа CiA.

Длина и длительность кадра

Без вставленных битов длина кадра от SOF до последнего бита EOF зависит только от формата и числа байтов данных n:

Число вставленных битов S зависит от содержимого. Оценка сверху следует из правила: первая вставка возможна после пяти бит, каждая следующая — ещё через четыре. Если под правило попадает g + 8n бит, то

Здесь g — число битов от SOF до конца CRC без данных. Вместе с тремя битами межкадрового интервала самый длинный стандартный кадр занимает 55 + 10n бит, расширенный — 80 + 10n; в таком виде формулу приводят Дэвис, Бернс, Брил и Люккин в работе о расчёте времени отклика сообщений CAN.

Диапазон — от кадра без единой вставки до оценки сверху; три бита межкадрового интервала в таблицу не входят. Оценка не всегда достижима: часть битов кадра задана жёстко, а CRC нельзя выбрать. Перебор всех стандартных кадров без данных даёт не больше 6 вставок при оценке 8. Для расчёта времени доставки сообщений берут именно оценку сверху — запас здесь полезен.

Длительность кадра и наибольшая частота следования кадров при скорости шины f_бит:

Для стандартного кадра с 8 байтами на 500 кбит/с это от 216 до 264 мкс на кадр и от 3700 до 4500 кадров в секунду. Спецификация Bosch при этом советует не загружать шину на все 100 %.

Разбор строки битов

В режиме «Разобрать биты» вставьте последовательность, считанную с логического анализатора или осциллографа: 0 — доминантный уровень, 1 — рецессивный. Рецессивные биты перед SOF пропускаются, пробелы и переносы строк не мешают. Инструмент убирает вставленные биты, раскладывает кадр по полям и проверяет то же, что проверяет приёмник:

Отдельно отмечаются вещи, которые ошибкой протокола не являются, но заслуживают внимания: DLC больше 8, рецессивные резервные биты, доминантный SRR. DLC от 9 до 15 в CAN 2.0 использовать нельзя; если такой кадр всё же встретился, контроллеры классического CAN читают его как кадр с 8 байтами — так же поступает и разбор.

Место ошибки обведено на ленте, а в сообщении назван номер бита. При ошибке заполнения разбор останавливается: настоящий узел в этот момент тоже бросает приём и передаёт флаг ошибки. Шесть доминантных битов подряд посреди кадра — как раз активный флаг ошибки, выставленный каким-то узлом.

Типичные ошибки при чтении кадра с осциллографа

Перепутана полярность. На выводах RXD и TXD трансивера доминантный бит — логический ноль. На линии CAN_H тот же бит выглядит как импульс вверх, примерно с 2,5 до 3,5 В, на CAN_L — вниз, до 1,5 В. Если разбирать осциллограмму CAN_H как логический сигнал, все биты окажутся инвертированными: кадр «начнётся» с единицы, а в конце вместо семи единиц EOF будут нули. Подробнее об уровнях — в статье о шине CAN.

Вставленные биты приняты за данные. Каждая пропущенная вставка сдвигает все следующие поля на бит: начало кадра читается верно, а всё, что правее, — уже нет. Идите по сигналу слева направо и после пяти одинаковых битов вычёркивайте шестой.

Счёт серии начат заново после вставки. Вставленный бит — первый бит следующей серии. Если после вставленного нуля идут ещё четыре нуля, следующий бит тоже вставленный.

Длинная серия единиц в конце принята за сбой. Разделитель ACK, семь битов EOF и три бита межкадрового интервала — это одиннадцать рецессивных битов подряд, и вставок в них нет. Ошибка заполнения возможна только до конца CRC.

Слот ACK смотрят на выводе TXD. Там он рецессивный всегда: подтверждение ставят другие узлы. Чтобы увидеть подтверждение, смотрите шину или вывод RXD.

Мало выборок на бит. В тестах sigrok шина 125 кбит/с записана с частотой 4 МГц — 32 выборки на бит, и кадры разбираются без ошибок. Сеть 250 кбит/с там же записана с частотой 500 кГц — всего две выборки на бит. В описании тестов эта частота названа низковатой, и в записи действительно есть кадр, который не сходится по CRC.

CRC считают по 16 битам или вместе с вставками. В кадре 15 бит CRC и рецессивный разделитель за ними. Расчёт идёт по битам без вставок и заканчивается на последнем бите данных — у удалённого кадра и кадра без данных на последнем бите DLC.

В удалённом кадре ищут данные. Если RTR рецессивный, за DLC сразу следует CRC, какое бы число ни стояло в DLC.

Декодер CAN в логическом анализаторе делает всё это сам, но ему нужна правильная скорость и уровень, снятый с RXD или TXD, а не с линии. Когда декодер показывает ошибку, строка битов и конструктор помогают понять, в каком именно поле она возникла. Как настроить скорость и точку выборки самого контроллера, рассказано в разделе о битовом тайминге статьи о шине CAN.