通信协议

CAN Ntrip
发布日期:   2025-05-29
作者:   LSJune
文章字数:   3.9k
阅读时长:   16 分
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本节旨在记录工作中遇到的一些通信协议。

CAN 总线原理与通信机制

CAN（Controller Area Network）总线是一种专为汽车电子系统设计的串行通信协议，主要用于不同 ECU（电子控制单元）之间的数据传输。其最大特点是具有高可靠性、实时性强、抗干扰能力强，现已广泛应用于汽车、工业自动化、医疗设备等领域。

物理结构

CAN 总线通常由两根双绞线构成，分别为：

  • CAN_H（高电平线）
  • CAN_L（低电平线）

它们以差分信号的形式工作，通过比较两者之间的电压差来进行数据传输，差分电压为0，称作隐性电平，表示逻辑1，差分电压为2V，称作显性电平，逻辑表达为0。

   状态             CAN_H      CAN_L     电压差    逻辑意义     电平类型
──────────────────────────────────────────────────────────────────────
显性电平(Dominant)   ≈3.5V     ≈1.5V      ≈2V       逻辑 0     主导电平
隐性电平(Recessive)  ≈2.5V     ≈2.5V      ≈0V       逻辑 1     被动电平

这种差分传输方式大大提高了抗干扰能力，即使在恶劣电磁环境中也能稳定工作。

节点结构

一个连接到 CAN 总线的设备都被视为一个节点，每个节点至少包含以下两部分：

  1. CAN 控制器：负责协议层的处理，如帧格式解析、仲裁、错误处理；
  2. CAN 收发器：负责物理层信号的收发与电平转换。

发送过程：

CPU → CAN控制器 → 逻辑电平信号 → CAN收发器 → 差分电平 → CAN总线

接收过程：

CAN总线差分电平 → CAN收发器 → 逻辑电平 → CAN控制器 → CPU

多节点通信与仲裁机制

CAN 总线支持多主机制，即所有节点都有发送权限。 那么当有多个节点时，如何确保数据不会混乱？

  1. 多主工作方式：最先向总线发送信息的节点获得总线的发送权。

  2. 非破坏性仲裁机制： 通过报文 ID 的优先级来决定哪个节点获得总线控制权。 具体流程：所有节点监听总线； 从SOF位开始，按位计算，显性电平会覆盖隐性点平，被覆盖的节点退出竞争，转为接收节点。

帧结构

CAN2.0B包括两种消息帧格式：标准帧和扩展帧。扩展帧格式如图。

根据用途可分为四种：

  • 数据帧：传输有效数据内容（最多 8 字节）。
  • 远程帧：请求远程节点发送特定 ID 的数据帧。
  • 错误帧：检测到错误时发出，用于错误恢复。
  • 过载帧：用于请求延迟下一个帧的发送（暂缓）。

J1939 协议

SAE J1939 是基于 CAN2.0B（扩展帧格式）的高层通信协议，专为商用车、工程机械、农用设备等车辆领域设计。它在 CAN 总线基础上，扩展了帧结构，并定义了一套固定的 PGN（Parameter Group Number，参数组编号） 和 SPN（Suspect Parameter Number，疑似参数编号） 编码体系，用于组织和传输各类车辆参数与诊断信息。

消息帧格式

J1939 只适用于扩展帧格式，其标识符（Identifier）被严格划分为以下几部分：

  • 优先级 (Priority)：3 位，数值越小，优先级越高（0~7）
  • 保留位 (Reserved) ：1 位，固定为 0，保留。
  • 数据页 (Data Page)：1 位，表示页码（扩展 PGN 用）
  • PDU 格式 (PDU Format, PF)：8 位，确定是点对点还是广播。
  • PDU 特定 (PDU Specific, PS)：8 位，若为点对点，表示目标地址；否则为 PGN 的一部分。
  • 源地址 (Source Address, SA)：8 位，当前帧的发送节点地址（0~253）
  • 数据场 (Data Field)：0~8 字节，实际传输的参数（如速度、电压等）

参数群编号 PGN 与 SPN

PGN 是 J1939 报文的核心，用于定义一类参数组（Parameter Group），描述“这是一类什么类型的报文”。PGN 是由标识符中的以下字段拼接而成的：

PGN = DP（1位）+ PF（8位）+ PS（8位，仅限广播帧）

  • 如果 PF ≥ 240（全局广播），PGN = DP + PF + PS（完整 18 位）。

  • 如果 PF < 240（点对点），PGN = DP + PF（PS 被视为目标地址，不算入 PGN）。

PGN 在表示时通常以十进制表示，如：

  • 61444 → 发动机状态（EEC1）
  • 65262 → 冷却液温度、油温等。

SPN 是 PGN 中的“子参数”，用于定义 PGN 报文中每个字段（字节或字节组合）的具体含义。例如：

PGN 报文名称 包含的 SPN（部分示例）
61444 EEC1（发动机控制器1） SPN 190: 发动机转速，SPN 512: 发动机-扭矩百分比
65262 ET1（发动机温度 1） SPN 110: 冷却液温度，SPN 174: 燃油温度

具体 PGN 与 SPN 参数含义可以参考：https://www.canfd.net/j1939pgn.html

应用示例

此示例主在通过设备连接车辆 CAN 总线，获取车辆参数信息。默认设备连接口为 can0。

首先测试连接、设置波特率。

candump can0 # 观察can0有没有数据传过来
ip -details link show can0	# 查看can0口波特率
ip link set can0 down	# 关闭can0
ip link set can0 up type can bitrate 250000		# 设置波特率为250kbps
ip link set can0 up		# 开启can0

CanRander.hpp 实现连接车辆CAN总线，解析发动机转速数据。

#pragma once
#include <linux/can.h>
#include <string>
#include "MessageQueue.hpp"
#include <atomic>

class CanReader {
public:
    CanReader(const std::string& iface, const std::string &device_id, MessageQueue& queue);
    ~CanReader();
    void run();

private:
    bool connectCanSocket();
    bool parseFrame(const struct can_frame& frame);
    void closeCANSocket();

private:
    std::string iface_;
    std::string device_id_;
    int can_socket_ = -1;
    MessageQueue& queue_;
    std::atomic<bool> running_{true};
};

CanRander.cpp 实现

#include "CanReader.hpp"

#include <sys/socket.h>
#include <sys/ioctl.h> 
#include <linux/can/raw.h>
#include <net/if.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include "utils.hpp"
#include "Logger.hpp"

CanReader::CanReader(const std::string& iface, const std::string &device_id, MessageQueue& queue)
    : iface_(iface), device_id_(device_id), queue_(queue){}

CanReader::~CanReader() {
    running_ = false;
    closeCANSocket();
}

bool CanReader::connectCanSocket() {
    if (can_socket_ >= 0) return true;  // 已连接

    // 初始化 SocketCAN
    struct ifreq ifr{};
    struct sockaddr_can addr{};
    can_socket_ = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
    if (can_socket_ < 0) {
        LOG_ERR("[CAN] Socket creation failed.", can_socket_);
        return false;
    }

    strncpy(ifr.ifr_name, iface_.c_str(), IFNAMSIZ);
    if (ioctl(can_socket_, SIOCGIFINDEX, &ifr) < 0) {
        LOG_ERR("[CAN] ioctl failed.");
        return false;
    }
    addr.can_family = AF_CAN;
    addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
    
    if (bind(can_socket_, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        LOG_ERR("[CAN] Bind failed.");
        return false;
    }
    return true;
}

void CanReader::run() {
    struct can_frame frame{};
    while (running_) {
        if(!connectCanSocket()) {
            LOG_ERR("[CAN] read data error:", errno, ", message: ", strerror(errno));
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(2));
            continue;
        }
        int nbytes = read(can_socket_, &frame, sizeof(frame));
        if (nbytes < 0) {
            closeCANSocket();
            LOG_ERR("[CAN] read data error: ", nbytes, ", errno: ", errno, ", message: ", strerror(errno));
            continue;
        } 
        if (!parseFrame(frame)) {
        	LOG_INFO("[CAN] other data.");
        }
    }
}

bool CanReader::parseFrame(const struct can_frame& frame) {
    uint32_t pgn = (frame.can_id >> 8) & 0xFFFF;
    if (pgn == 0xF004) {
        float rpm = ((frame.data[4] << 8) | frame.data[3]) * 0.125f;
        LOG_INFO("[CAN] can rpm data: ", rpm);
        return true;
    }
    return false;
}

void CanReader::closeCANSocket() {
    if (can_socket_ >= 0) {
        close(can_socket_);
        can_socket_ = -1;
    }
}

Ntrip 协议

Ntrip（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）是基于互联网协议的 RTCM 网络传输协议，通过互联网传输和共享差分改正数据来实现精确定位和导航。

NTRIP 组成

Ntrip 有四个核心角色：

  • Ntrip Source：系统的数据源，提供差分数据和原始卫星观测数据。

  • Ntrip Server（Caster Source）：从本地 GNSS 基站获取 RTCM 数据，上传给 Caster。

  • Ntrip Caster：类似于转发服务器，管理多个 Source 与 Client。

  • Ntrip Client（Rover端）： 通过网络从 Caster 请求 RTCM 差分数据，并用于解算高精度位置。

Ntrip Server 将本地采集的差分数据（如RTCM）上传给 Ntrip Caster，是 Ntrip Client 接收到的差分数据的源头，每个 Ntrip Server 负责维护一个 Mountpoint，Server 不直接与 Client 通信，而是通过 Caster 中转。

Ntrip Caster 是整个系统的”中控”，就像一台差分数据 “交换机”，负责：管理多个差分源（Mountpoint）和多个客户端之间的连接与分发。

传统模式

对于传统固定基站，Ntrip Client 连接上 Ntrip Caster 后，无需发送任何位置信息，只需选择一个固定的差分基站（即指定 mountpoint）并接收其广播的 RTCM 差分数据，与自身接收到的 GNSS 原始观测数据（载波相位、伪距等）进行融合，得到厘米级高精度定位结果。

// Client 流程
1. 建立与 Ntrip Caster 的连接
2. 接收差分站下发的RTCM数据
3. 将RTCM数据与自身观测数据融合得到GPS。

优点：实现简单，无需额外逻辑；固定测站、工程测量场景适用。

缺点：离基站太远（>10~20km），RTK 精度下降，甚至无法解算；误差来源大（基线过长、对流层误差等）

VRS 模式

VRS（Virtual Reference Station）虚拟参考站，是一种基于用户当前位置动态生成差分数据的高精度定位服务方式。Client 在连接 Caster 后，主动上传自身的粗略位置（GGA语句），差分服务系统根据 Client 的位置动态生成一个虚拟基站，返回该虚拟基站点的定制化差分数据（RTCM 格式）。这使得移动站始终能够接收到来自“最近基站”的最优差分修正，提高解算精度和稳定性。

// Client 流程
1. 建立与 Ntrip Caster 的连接
2. 向 Caster 主动发送自身的 GGA 位置语句
3. 接收 Caster 下发的针对当前位置的 RTCM 差分数据流
4. 将 RTCM 数据与自身接收的 GNSS 原始观测数据融合，输出GPS。

相比于传统差分站，VRS 多了上传 GGA 数据的步骤。

优点：精度高，收敛快；适合流动站不断移动的场景（如无人车、测绘无人机）；减少了对实际物理基站的建设和维护压力。

缺点：必须周期性注入 GGA；部分 VRS 服务为商业服务，需要账户认证、订阅许可等。

RTCM3.2

RTCM（Radio Technical Commission for Maritime Services） 是由美国海事无线电技术委员会发布的标准，广泛应用于高精度 GNSS（如 GPS/北斗/GLONASS/Galileo）定位中，用于传输差分修正数据。

数据结构

┌──────────┬──────────┬─────────────────┬──────────────┬────────┐
│ Preamble │ Reserved │  Message Length │   Payload    │   CRC  │
│  (8bit)  │  (6bit)  │     (10bit)     │   (N bits)   │  24bit │
   同步码		保留位			信息长度		 数据信息	 	
└──────────┴──────────┴─────────────────┴──────────────┴────────┘

相关资料：

NMEA

NMEA（National Marine Electronics Association）定义了 GNSS 模块标准输出格式，广泛用于串口输出位置信息，纯文本格式，易于解析。

特点：

  • ASCII 文本格式，逗号分隔；
  • 标准语句以 $ 开头，以 \r\n 结束；
  • 用途：用于串口读取定位结果；
  • 每秒多条消息输出（典型为1Hz或10Hz）。

数据格式

$<语句类型>,<字段1>,<字段2>,...,<字段N>*<校验和><CR><LF>

示例：
$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.95,545.4,M,46.9,M,,*47
$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A
$GPGSA,A,3,04,05,09,12,24,25,29,31,,,,1.8,1.0,1.5*33
$GPGSV,2,1,08,01,40,083,41,02,17,045,42,03,14,273,43,04,09,137,38*76
$GPVTG,054.7,T,034.4,M,005.5,N,010.2,K*48
$GPGLL,4916.45,N,12311.12,W,225444,A*1D

核心语句

  • GPGGA
$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>*<15>
<1> UTC时间，格式为hhmmss.sss。  
<2> 纬度，格式为ddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。   
<3> 纬度半球，N或S（北纬或南纬）。   
<4> 经度，格式为dddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。 
<5> 经度半球，E或W（东经或西经）。   
<6> 定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效。   
<7> 使用卫星数量，从00到12（前导位数不足则补0）。  
<8> 水平精确度，0.5到99.9。   
<9> 天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米   
<10> 高度单位，M表示单位米。   
<11> 大地椭球面相对海平面的高度（-999.9到999.9）。   
<12> 高度单位，M表示单位米。   
<13> 差分GPS数据期限（RTCM SC-104），最后设立RTCM传送的秒数量。   
<14> 差分参考基站标号，从0000到1023（前导位数不足则补0）。   
<15> 校验和。
  • GPRMC
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>
<1> UTC（Coordinated Universal Time）时间，hhmmss（时分秒）格式   
<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位   
<3> Latitude，纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）   
<4> 纬度半球N（北半球）或S（南半球）   
<5> Longitude，经度dddmm.mmmm（度分）格式（前导位数不足则补0）   
<6> 经度半球E（东经）或W（西经）   
<7> 地面速率（000.0~999.9节，Knot，前导位数不足则补0）   
<8> 地面航向（000.0~359.9度，以真北为参考基准，前导位数不足则补0）   
<9> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式   
<10> Magnetic Variation，磁偏角（000.0~180.0度，前导位数不足则补0）   
<11> Declination，磁偏角方向，E（东）或W（西）   
<12> Mode Indicator，模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）   
<13> 校验和。
  • GPGSA
$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>
<1>模式 ：M = 手动， A = 自动。 
<2>定位型式 1 = 未定位， 2 = 二维定位， 3 = 三维定位。 
<3>PRN 数字：01 至 32 表天空使用中的卫星编号，最多可接收12颗卫星信息。   
<4> PDOP位置精度因子（0.5~99.9）   
<5> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）   
<6> VDOP垂直精度因子（0.5~99.9）   
<7> Checksum（检查位）
  • GPGSV
$GPGSV, <1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…,<4>,<5>,<6>,<7>*<8>
<1> 总的GSV语句电文数。   
<2> 当前GSV语句号。   
<3> 可视卫星总数，00至12。   
<4> 卫星编号，01至32。   
<5> 卫星仰角，00至90度。   
<6> 卫星方位角，000至359度。实际值。   
<7> 信噪比（C/No），00至99dB；无表未接收到讯号。   
<8> 校验和。
  • GPVTG
$GPVTG,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>∗<10>
<1> 真北航向，000 - 359，（前导位数不足则补0） 
<2> T=真北参照系 
<3> 磁北航向，000 - 359，（前导位数不足则补0） 
<4> M=磁北参照系 
<5> 水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0） 
<6> N=节，Knots 
<7> 水平运动速度（0.00）（前导位数不足则补0） 
<8> K=公里/时，km/h 
<9> 模式指示（仅 NMEA 0183 3.0 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）
<10> 校验值.
  • GPGLL
$GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*<8>  
<1> 纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0） 
<2> 纬度N（北纬）或S（南纬） 
<3> 经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0） 
<4> 经度E（东经）或W（西经） 
<5> UTC时间，hhmmss.sss格式 
<6> 定位状态，A=定位，V=未定位 
<7> 模式指示（仅 NMEA 0183 3.0 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）
<8> 校验值
文章作者: LSJune
文章链接: http://shao-junliang.github.io/2025/05/29/comm-protocol/
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