CAN总线处理超过8字节数据帧的策略与相关协议

在现代汽车电子、工业自动化等领域，CAN（Controller Area Network）总线作为一种高效、可靠的数据通信协议，得到了广泛应用。然而，CAN协议规定标准帧和扩展帧中数据段的长度为最大8字节，这一限制源于其设计初衷——用于实时性要求较高的系统，如汽车电子和工业控制。数据帧短小有助于降低总线负载，提高传输效率。但当需要传输的数据超过8字节时，CAN总线如何进行处理？本文将深入探讨这一问题，并介绍几种相关的协议及其实现方式。

一、CAN总线处理超长数据帧的策略

当数据帧长度超过CAN协议规定的8字节时，工业界开发了一系列高层协议来支持长数据帧的分段传输和重组。这些协议通过将数据分割成多个较小的帧进行传输，并在接收端进行重组，从而实现了对超长数据帧的支持。

二、相关协议介绍

ISO-TP（ISO 15765-2）

ISO-TP（ISO Transport Protocol）是一种广泛应用于CAN的传输协议，用于解决数据大于8字节的分段传输问题。该协议将数据分成多个帧进行传输，包括单帧（Single Frame，SF）、首帧（First Frame，FF）、连续帧（Consecutive Frame，CF）和流控帧（Flow Control Frame，FC）。

单帧（SF）：当数据长度小于或等于7字节时，可以直接通过单帧发送。

首帧（FF）：当数据长度大于7字节时，第一个帧（即首帧）中包含数据长度和首段数据。

连续帧（CF）：后续帧承载剩余数据。

流控帧（FC）：接收端通过发送流控帧来控制数据发送节奏，防止数据溢出。

ISO-TP协议广泛应用于汽车诊断通信中，如UDS（统一诊断服务）协议就建立在ISO-TP之上。

CANopen SDO（Service Data Object）

CANopen是一种面向工业自动化的高层协议，其SDO（Service Data Object）协议部分支持大于8字节的数据传输。数据通过多个帧分段传输，每帧包含索引和子索引信息。此外，CANopen还支持块传输（Block Transfer），允许批量传输多个数据帧，提高了传输效率。

SAE J1939

SAE J1939是一套基于CAN的协议，广泛用于重型车辆和农业机械。它通过TP（Transport Protocol）扩展支持长数据帧传输。该协议使用BAM（Broadcast Announce Message）和RTS/CTS（Request to Send / Clear to Send）两种机制进行大数据分段传输。

三、代码示例

以下是一个简化的ISO-TP协议实现示例，用于说明如何将超过8字节的数据分段传输。请注意，这只是一个基本框架，实际应用中需要更复杂的错误处理和流控机制。

 

#include <stdio.h>

#include <stdint.h>

#include <stdbool.h>

#include <string.h>

#define MAX_DATA_LENGTH 16 // 假设最大数据长度为16字节，用于示例

#define CAN_FRAME_SIZE 8   // CAN数据帧的最大数据长度

typedef struct {

   uint32_t sequenceNumber; // 序列号，用于重组数据帧

   uint16_t dataLength;     // 数据长度

   uint8_t data[MAX_DATA_LENGTH]; // 数据缓冲区

} ISO_TP_Message;

// 发送单帧或首帧的函数（简化实现）

bool sendFrame(uint8_t* frame, uint8_t frameType, uint8_t sequenceNumber, uint16_t dataLength, uint8_t* data, uint8_t dataLengthToSend) {

   // 填充帧头和数据（具体实现取决于CAN驱动和硬件）

   // ...

   // 发送帧（具体实现取决于CAN驱动和硬件）

   // ...

   return true; // 假设发送成功

}

// 分段发送数据的函数

bool sendLargeData(ISO_TP_Message* message) {

   uint8_t frame[CAN_FRAME_SIZE + /*帧头大小*/]; // 假设帧头大小已知并已经包含在frame数组中

   uint8_t sequenceNumber = 0;

   uint16_t dataLength = message->dataLength;

   uint8_t* data = message->data;

   // 发送首帧

   if (!sendFrame(frame, 0x02, sequenceNumber, dataLength, data, (dataLength > CAN_FRAME_SIZE) ? CAN_FRAME_SIZE : dataLength)) {

       return false;

   }

   sequenceNumber++;

   // 发送连续帧

   while (dataLength > CAN_FRAME_SIZE) {

       if (!sendFrame(frame, 0x03, sequenceNumber, dataLength, data + (sequenceNumber - 1) * CAN_FRAME_SIZE, CAN_FRAME_SIZE)) {

           return false;

       }

       sequenceNumber++;

       dataLength -= CAN_FRAME_SIZE;

   }

   // 如果还有剩余数据，发送最后一个单帧（数据长度小于或等于CAN_FRAME_SIZE）

   if (dataLength > 0) {

       if (!sendFrame(frame, 0x00, sequenceNumber, dataLength, data + (sequenceNumber - 1) * CAN_FRAME_SIZE, dataLength)) {

           return false;

       }

   }

   return true;

}

int main() {

   ISO_TP_Message message;

   message.sequenceNumber = 0;

   message.dataLength = 12; // 假设要发送的数据长度为12字节

   memcpy(message.data, "HelloWorld", 10); // 填充数据（示例）

   message.data[10] = 0x01; // 填充额外数据（示例）

   message.data[11] = 0x02; // 填充额外数据（示例）

   if (sendLargeData(&message)) {

       printf("Data sent successfully!\n");

   } else {

       printf("Failed to send data.\n");

   }

   return 0;

}

四、结论

当CAN总线需要传输超过8字节的数据帧时，可以通过高层协议如ISO-TP、CANopen SDO和SAE J1939等实现分段传输和重组。这些协议通过将数据分割成多个较小的帧进行传输，并在接收端进行重组，从而解决了CAN协议对数据帧长度的限制。在实际应用中，需要根据具体场景选择合适的协议，并考虑错误处理、流控机制等因素，以确保数据传输的可靠性和效率。