是时候聊一下CAN总线了（下）——CAN总线帧格式 / 开普饭

文/Edward

1 通讯速率和通讯距离

CAN总线是一种串行的差分总线，并且这种差分总线只传递数据信息，因此关于时钟信号收发两方是没有信号进行传递的。因此，CAN总线与绝大多数异步串行总线一样，需要收发双方约定好数据传输的波特率（bit/s）才可以确保数据的正常收发。常用的CAN总线波特率有125Kbits/s，250Kbits/s，500Kbits/s，1MKbits/s等，ISO11898中所定义的CAN总线的波特率最高为1Mbits/s。

尽管CAN总线的纠错能力很强，但是为了数据的准确收发，具体选择CAN总线的波特率应该以具体的工况来选择，选择波特率的主要依据为传输线的距离。具体传输距离和CAN波特率的关系可以参考表1。

表1 传输距离和CAN波特率的关系

位速率/kbps	1000	500	250	125	100	50	20	10	5
最大距离/m	40	130	270	530	620	1300	3300	6700	10000

2 CAN总线的通讯模型

前面我们说了，CAN总线是一种可以允许多主机存在的半双工差分总线，所有节点可以自由地挂载在同一根CAN总线上，组成一个理想中的控制局域网络。在CAN总线传输过程中，所有节点都可以根据自身当前的状态来发送数据，先占据总线者则在当前时间向总线上的所有节点发送数据。而每个CAN节点都有一个叫做CAN ID的唯一标识符，当某个节点发现当前总线上的CAN数据是发给自己的，则将这一帧CAN数据接收后进行处理。当某个节点的CAN数据发送完成后，即释放CAN总线，同时允许别的节点占用总线。另外，现在绝大多数CAN总线控制器都自带硬件地址过滤器，因此，我们可以省去CAN总线的ID软件判断。

3 CAN总线的帧类型

CAN总线上的数据被称为CAN报文，CAN报文有四种消息类型：

数据帧：从发送端携带数据到接收端。

远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。

错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。

过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。

3.1 数据帧

CAN总线上面的报文绝大多数都是数据帧，一个完整的数据帧由七个部分组成，依次为：帧起始（SOF）、数据场（Data Field）、校验场（CRC Field）、应答场（ACK Field）、帧结尾（EOF）。具体数据场的排列如图1所示。需要注意的是，这个标准是CAN2.0A中规定的标准帧。

图1 数据帧格式

帧起始是数据帧和远程帧开始的标志，它是一个显性位。一个CAN节点只有在总线处于空闲状态时才可以发送帧起始。

帧起始发送完成之后，紧接着发送出的就是仲裁场，CAN2.0A的仲裁场一共有12位，如图2所示。在这12位中，前11位表示的是11位标识符，第12位是远程发送请求RTR。在数据帧中RTR为显性，在远程帧中RTR为隐性。所以如果相同标识符的数据帧与远程帧发生冲突，数据帧优先。CAN2.0B的仲裁场一共有32位，它在原有的CAN2.0A的基础上，将CAN ID扩展到了29位，并且向CAN2.0A兼容，如图3所示。

图2 CAN2.0A的12位仲裁场

图3 CAN2.0B的32位仲裁场

仲裁场之后便是控制场。控制场的头两位为保留位，为隐性。后面是数据长度代码DLC（Data Length Code）。数据长度代码指示了数据场中有效的字节个数。DLC的长度为4位二进制数，虽然可以最大范围可以表示到0~15，但是由于CAN总线的数据域长度最大为8个字节，所以DLC的大小最大为8。如果在设置CAN消息时，将DLC错误地设置成了大于8的数，其产生的后果各家的控制器都不相同，有些厂家的控制器会直接将其最大值限定在8，有些厂家的控制器则不会发送任何消息，直接判定为错误传输。如图4所示。

图4 控制场的格式

控制场传输完成之后，紧接着传输的就是数据场了，数据场里面传输的就是我们想要传输的数据，长度为8个字节，如图5所示。

图5 数据段的格式

CAN数据每次发送的时候，都会将CAN数据帧里面的有效数据进行CRC校验，并且将最终生成的CRC信息一起包含在数据帧中的CRC域内进行发送。接收端接收到一帧CAN总线数据后，会将接收到的数据进行CRC计算，并且同发出端的CRC校验码进行比较，如果相同，则代表当前接收到的信息是正确的。CRC校验域的格式如图6所示。

图6 CRC域

在经典CAN中,使用15位CRC,在硬件可使用移位和异或运算完成CRC的计算,而CAN FD规范中对帧数据长度进行了扩展,对于数据长度小于等于16字节的CAN FD帧,采用17位CRC,对于数据长度大于16字节的CAN FD帧采用21位CRC。CAN总线中使用的若干版本CRC生成多项式g整理如图7所示。

图7 常用的CAN总线CRC校验算法

接下来的两位数据域是ACK区域，即为CAN总线的应答场。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）。在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。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（发送ACK信号）向发送器发送一“显性”的位以示应答。

应答间隙：所有接收到匹配CRC序列（CRC SEQUENCE）的站会在应答间隙（ACK SLOT）期间用以“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。

ACK界定符：ACK界定符是ACK场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此，应答间隙（ACK SLOT）被两个“隐性”的位所包围，也就是CRC界定符（CRC DELIMITER）和ACK界定符（ACK DELIMITER）。CAN总线的应答场如图8所示。