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一、什么时候发错误帧？

1. 位错误

2. 填充错误

3. CRC错误

4. 格式错误

5. ACK错误

二、自动重发的机制：CAN协议如何工作

三、错误帧如何实现？

1. 核心组件：CAN控制器内的错误管理逻辑

2. 错误帧的发送流程

3. 软件层面（程序员）能看到什么？

总结

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MCU（通过其内置的CAN控制器）在什么时候会发出错误帧，以及这是如何实现的。

一、什么时候发错误帧？

MCU的CAN控制器不会随意发送错误帧，它只在检测到符合CAN协议规定的特定错误条件时才会立即触发。这些错误可以发生在发送过程中，也可以发生在接收过程中。

CAN协议定义了5种主要的错误类型：

1. 位错误

• 触发时机：当发送节点在总线上输出一个位的同时，回读总线上的电平，发现与它刚输出的电平不一致时。

• 例外情况：在仲裁场期间输出隐性位但回读到显性位，这不算位错误，因为这表示有更高优先级的节点在发送，本节点应该退出仲裁。在ACK槽期间输出隐性位但回读到显性位，这也不算错误，因为这表示有节点成功接收并回复了ACK。

2. 填充错误

• 触发时机：在帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场这些需要位填充的字段中，检测到连续6个相同电平的位。

• 原理：CAN协议规定，当出现连续5个相同位后，必须插入一个反相位的“填充位”。如果出现6个连续相同位，就违反了填充规则。

3. CRC错误

• 触发时机：接收节点根据接收到的数据计算出的CRC校验码，与发送节点在CRC场中发送的CRC序列不匹配时。

• 原理：这表明数据传输过程中可能受到了干扰，数据内容出现了错误。

4. 格式错误

• 触发时机：在报文帧的固定格式字段检测到非法位。

• 例子：

  • 在帧结束字段（7个连续隐性位）检测到了显性位。

  • 在ACK界定符或错误界定符（均为隐性位）检测到了显性位。

  • 在CRC界定符（隐性位）检测到了显性位。

5. ACK错误

• 触发时机：发送节点在ACK槽中没有检测到显性位。

• 原理：ACK槽是发送节点留出的一个隐性位间隙。如果至少有一个接收节点（非发送节点本身）正确接收了该帧，它必须在这个槽里填入一个显性位。如果发送节点没有读到这个显性位，说明没有一个节点成功接收，它就会产生一个ACK错误。

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二、自动重发的机制：CAN协议如何工作

1. 发送节点发送报文：
   MCU将需要发送的数据（标识符、数据域等）写入CAN控制器的发送邮箱，然后CAN控制器会开始在总线上逐位发送该报文。

2. 接收节点发现错误：
   总线上的其他节点在接收过程中，如果发现任何错误（如CRC校验错误、格式错误、位填充错误等），会立即在总线上主动发送一个“错误帧”。

3. 错误帧的结构：
   错误帧不是一种特殊的数据帧，而是由两个部分组成：

   • 错误标志：由6个连续的显性或隐性位（主动错误标志）组成，这破坏了CAN的位填充规则，从而引起所有节点的注意。

   • 错误界定符：8个连续的隐性位。

4. 发送节点也同时监听到错误：
   CAN节点在发送的同时也在监听总线。当发送节点自己监听到这个错误帧时，它立即停止当前的发送（可能连错误帧都没发完就中止了）。

5. 自动重发：
   发送节点在停止当前发送后，会自动等待一个特定的“中断帧间隔”时间，然后毫不犹豫地再次尝试发送同一个报文。这个过程对MCU软件是透明的，MCU甚至不知道发生了重发（除非它去查询状态寄存器）。

三、错误帧如何实现？

错误帧的实现是由MCU内部的CAN控制器硬件自动完成的，无需CPU核心的干预。这是一个高速的硬件级响应过程。

1. 核心组件：CAN控制器内的错误管理逻辑

CAN控制器内部有一套复杂的状态机和计数器来实现错误处理：

• 错误计数器：每个CAN控制器都有两个错误计数器：

  • 发送错误计数器

  • 接收错误计数器

• 错误状态：根据错误计数器的值，节点处于三种状态之一：

  • 主动错误状态：默认状态。可以正常参与总线通信。

  • 被动错误状态：错误较多。受到限制，不能主动破坏总线。

  • 总线关闭状态：错误非常多。完全与总线断开连接。

2. 错误帧的发送流程

当CAN控制器检测到上述任何一种错误时，会立即（在当前位时间内）执行以下操作：

第一步：发送“错误标志”

• 这是错误帧的主体，目的是破坏当前的总线传输。

• 如果节点处于【主动错误状态】：

  • 它会立即向总线发送一个主动错误标志，即连续6个显性位。

  • 这个连续的6个显性位违反了位填充规则，其他所有节点看到后都会识别出这是一个错误，并随之也发送错误标志。

  • 这是一种“众裁”机制，所有检测到错误的节点会同步发出错误标志，在总线上叠加，形成一个长的显性位序列。

• 如果节点处于【被动错误状态】：

  • 它只能发送一个被动错误标志，即连续6个隐性位。

  • 它不会主动破坏总线，而是“悄悄地”在总线上等待。如果总线上在此期间没有其他显性位，这个错误标志才会被看到。如果此时有主动错误节点正在发送显性错误标志，被动错误节点的标志就会被覆盖。

第二步：发送“错误界定符”

• 在发送完错误标志后，所有节点都会切换到接收模式，并开始发送错误界定符。

• 错误界定符由8个连续的隐性位组成。

• 这个“冷静期”确保了总线在激烈的错误标志冲突后恢复稳定，为下一帧传输或重发做好准备。

3. 软件层面（程序员）能看到什么？

虽然错误帧的发送是硬件自动完成的，但程序员可以通过访问CAN控制器的状态寄存器和错误计数器寄存器来了解情况。

• 中断：CAN控制器通常可以配置为在发生错误、错误计数器变化或进入被动/总线关闭状态时产生中断。

• 状态寄存器：程序员可以查询寄存器位来判断“最后一次错误是什么类型”（如CRC错误、格式错误等），以及“当前节点处于什么错误状态”。

• 错误计数器：可以读取发送和接收错误计数器的值，用于总线健康状况诊断。

总结

• 什么时候发？
  MCU在检测到位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、ACK错误这五种情况之一时，会立即发送错误帧。

• 如何实现？

  1. 硬件自动实现：由CAN控制器内的状态机和计数器逻辑完成。

  2. 立即响应：在检测到错误的那个位时间就开始发送错误标志，不等待帧结束。

  3. 状态依赖：根据节点的错误状态（主动/被动）发送不同类型（显性/隐性）的错误标志。

  4. 流程固定：发送错误标志 -> 所有节点同步 -> 发送错误界定符 -> 总线恢复。

  5. 结果：强制发送节点终止当前帧并自动重发。

这种机制确保了CAN总线的高可靠性，任何错误都会被迅速发现并纠正，保证了数据的完整性和一致性。