CAN总线简明易懂教程

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先看看工作原理
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当 CAN 总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文的形式广播给网络中所有节点，对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其接收。

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每组报文开头的11 位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式成为面向内容的编制方案。同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文，当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

大体的工作原理我们搞清了，但是根本的协议我们还要花一番功夫。下面介绍一个重要的名词，“显性”和“隐性”：

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在我看到的很多文章里，有很多显性和隐性的地方，为此我头痛不已，最终我把它们彻底弄明白了。

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首先 CAN 数据总线有两条导线，一条是黄色的，一条是绿色的------分别是CAN_High 线和CAN_Low 线，当静止状态时，这两条导线上的电平一样，这个电平称为静电平，大约为2.5 伏。

这个静电平状态就是隐形状态，也称隐性电平，也就是没有任何干扰的时候的状态称为隐性状态。当有信号修改时，CAN_High 线上的电压值变高了，一般来说会升高至少1V；而CAN_Low 线上的电压值会降低一个同样值，也是1v。

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那么这时候，CAN_High 就是 2.5v+1v=3.5v，它就处于激活状态了。而CAN_Low 降为2.5v-1v=1.5v。可以看看这个图

由此我们得到

在隐性状态下，CAN_High 线与CAN_Low 没有电压差，这样我们看到没有任何变化也就检测不到信号。但是在显性状态时，改值最低为2V，我们就可以利用这种变化才传输数据了。所以出现了那些帧，那些帧中的场，那些场中的位，云云。

在总线上通常逻辑1 表示隐性。而0 表示显性。这些1 啊，0 啊，就可以利用起来为我们传数据了。利用这种电压差，我们可以接收信号。

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一般来说，控制单元通过收发器连接到 CAN 驱动总线上，这个收发器（顾名思义，可发送，可接收）内有一个接收器，该接收器是安装在接收一侧的差动信号放大器。然后，这个放大器很自然地就放大了CAN_High 和CAN_Low 线的电平差，然后传到接收区。如下图

由上图可知，当有电压差，差动信号放大器放大传输，将相应的数据位转化为0。

下面我们进入重点难点-----报文

所谓报文，就是CAN 总线上要传输的数据报，为了安全，我们要给我们传输的数据报编码定一下协议，这样才能不容易出错，所以出现了很多的帧，以及仲裁啊，CRC 效验。这些都是难点。

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识别符的概念

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识别符顾名思义，就是为了区分不同报文的可以鉴别的好多字符位。有标准的，和扩展的。标准的是11 位，扩展的是29 位。他有一个功能就是可以提供优先级，也就是决定哪个报文优先被传输，报文标识符的值越小，报文具有越高的优先权。

CAN 的报文格式有两种，不同之处其实就是识别符长度不同，具有11 位识别符的帧称为标准帧，而还有29 位识别符的帧为扩展帧，CAN 报文有以下4 个不同的帧类型。分别是：

（1） 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器；

（2） 远程帧：总线节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧；

（3） 错误帧：任何节点检测到总线错误就发出错误帧；

（4） 过载帧：过载帧用已在先行的后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。

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我们先研究数据帧吧。

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在获得总线控制权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并且不会在总线再次空闲之前发送报文，在这逐位的比较中，最终节点B 因为第七位的偏差丢掉了总线。从此单纯监听，江山就拱手让给了节点A 了。这就是仲裁机制。

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上面我们说过，报文有两种格式，标准和扩展。这里，不同的格式仲裁场是不一样的。标准格式下，仲裁场由11 位识别符和RTR 位组成。

但在扩展格式里，包括29 位识别符、SRR 位、IDE 位、RTR 位。

RTR 位，Remote Tranmission Request BIT 全称为远程发送请求位。它在数据帧里必须为显性0 ，但在远程帧里为隐性1。

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我晕，为什么这么搞呢，不急，先留着这个问题。

SRR 位，替代远程请求位，SRR 是一隐性位，也就是1，它在扩展格式的标准帧RTR 位位置，那么标准帧怪不得优先于扩展帧了，因为在传输完11 位标识符之后（扩展帧的后18 位在最后发送，先发送11 位标识符），轮到标准帧的RTR 位和扩展帧的SRR 位了。

这时候，标准帧的RTR 为显性，而扩展帧SRR 为隐性，这样，总线自然就被标准帧占据。

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同时上面那个问题，也一目了然了，CAN 总线协议设计者，肯定是设计了数据帧优先于远程帧。所以IDE(Identifier Extension Bit)，全称识别符扩展位，它属于扩展格式的仲裁场。

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对于扩展格式，IDE位属于仲裁场；对于标准格式，IDE位属于控制场。标准格式的IDE位为“显性”，而扩展格式的IDE位为“隐性”。

标准格式中的数据帧

拓展格式中的数据帧

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控制场

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控制场由6个位组成，标准格式和扩展格式的控制场格式不同。标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位（为显性位）及保留位r0。扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位：r1和r0。其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的任何组合。其结构如图所示：

控制场结构

数据长度代码（标准格式以及扩展格式）DLC，如下表所示

数据帧长度代码DLC

数据长度代码指示了数据场里的字节数量。其中：d—“显性”， r—“隐性”，数据帧允许的数据字节数为{0，1，...，7，8}。其他的数值不允许使用。

数据场

数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为0~8个字节，每字节包含了8个位，首先发送最高有效位（MSB）。

循环冗余码CRC场是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

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CRC场包括CRC序列（CRC Sequence），其后是CRC界定符（CRC Delimiter），结构如图：

生成 CRC 码的基本原理：

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任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为‘0’和‘1’取值的多项式一一对应。例如：代码1010111 对应的多项式为x6+x4+x2+x+1，而多项式为x5+x3+x2+x+1 对应的代码101111。

参考一下下面的例题，自已再领悟一下吧！已知信息位为1101，生成多项式G(x)= x3+x+1，求CRC 码。

要传输的信息序列为1101，在末尾添加所给多项式的最高次阶个0，如本题为x^3，则添加3个0,变为：1101000；

由多项式G(X)=X3+X+1，得其阶数为1的二进制编码为：1011；1101000对1011进行模二除法，所得到的余数即为校验码，把校验码添加在原数据尾部即为所求的编码,则实际发送的数据序列为1101001。校验码计算过程如图所示：

模二除法

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应答场（ACK Field）

应答场长度为2个位，包含应答间隙（ACK Slot）和应答界定符（ACK Delimiter），如图所示。在ACK场（应答场）里，发送节点发送两个“隐性”位。

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当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACK Slot）期间向发送器发送一“显性”位以示应答。

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帧结尾

每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。这个标志序列由7个“隐性”位组成。

二、远程帧

通过发送远程帧，总线的节点发出远程帧，请求以前发送给它数据帧的节点再发送一遍。具体发送哪个数据帧，由远程帧的标识符决定。

与数据帧类似，远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾。

与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码DLC的数值是不受制约的（可以标注为容许范围０~8里的任何数值），此数值是相应于数据帧的数据长度代码。远程帧结构如图所示：

远程帧结构

三、错误帧

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错误帧由两个不同的场组成，第一个场是不同节点提供的错误标志（Error Flag）的叠加，第二个场是错误界定符。

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为了能正确地终止错误帧，“错误认可”的节点要求总线至少有长度为3个位时间的总线空闲。因此，总线的载荷不应为100%。错误帧结构如图：

(1) 错误标志，有两种形式的错误标志：激活错误标志 和 认可错误标志

“激活错误”标志由6个连续的“显性”位组成；“认可错误”标志由6个连续的“隐性”的位组成，除非被其他节点的“显性”位重写。

(2) 错误界定符，错误界定符包括8个“隐性”的位。

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错误标志传送了以后，每一个节点就发送一个“隐性”的位，并一直监视总线直到检测出一个“隐性”的位为止，然后就开始发送其余7个“隐性”位。

四、过载帧

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过载帧（Overload Frame）包括两个位场：过载标志 和 过载界定符，其结构如图：

过载帧结构图

有三种过载的情况会引发过载标志的传送：接收器的内部情况，需要延迟下一个数据帧和远程帧。

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在间歇（Intermission）的第1和第2字节检测到一个“显性”位。这里有个间歇的概念。我们可以讲讲。间歇属于帧间空间的一部分。它包含三个隐性位。间歇期间，所有的站不允许传送数据帧或远程帧。它唯一要做的就是标示一个过载条件。

如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧。该帧不是错误帧，错误计数器不会增加。

（1）过载标志（Overload Flag）

过载标志由6个“显性”的位组成。过载标志的所有形式和“激活错误”标志的一样。

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（2）过载界定符（Overload Delimiter）

过载界定符包括8个“隐性”的位。

五、帧间空间

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数据帧（或远程帧）与先行帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论此先行帧类型如何（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）。

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帧间空间包括间歇、总线空闲的位场。如果“错误认可”的节点已作为前一报文的发送器，则其帧间空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作“挂起传送”（暂停发送）（Suspend Transmission）的位场。

对于不是“错误认可”的节点，或作为前一报文的接收器的节点，其帧间空间如图：

非 “错误认可”帧间空间

对于作为前一报文发送器的“错误认可”的节点，其帧间空间如图：

“错误激活”帧间空间

（1）总线空闲（Bus Idle）

总线空闲的时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报文的节点就会访问总线。在发送其他报文期间，有报文被挂起，对于这样的报文，其传送起始于间歇之后的第一个位。总线上检测到的“显性”的位可被解释为帧的起始。

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（2）挂起传送（Suspend Transmission）

“错误认可”的节点发送报文后，节点就在下一报文开始传送之前或总线空闲之前发出8个“隐性”的位跟随在间歇的后面。如果与此同时另一节点开始发送报文（由另一节点引起），则此节点就作为这个报文的接收器。

再来几张实物图：

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