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CAN总线是一种广播类型的总线。这意味着在总线上的所有节点都可以“收到”所有消息。CAN从设计上是无法将消息发送给特定节点的；但是，CAN硬件（CAN控制器）提供了本地过滤机制，可以只对感兴趣的消息进行接收。

CAN总线使用短消息，最大消息位数为96个比特位，在消息中是没有明确的地址信息；相对的，在数据中可以隐含地址信息。

消息帧类型

CAN总线上有四种不同的消息类型（或“帧”）：

• 数据帧

• 远程帧

• 错误帧

• 过载帧

数据帧

数据帧是最常见的消息类型，它包括以下主要部分（以标准CAN为例，省略了一些细节）： 

1、当两个或多个节点争夺总线时，确定消息的优先级的仲裁字段。仲裁领域包含：

• 对于CAN 2.0A，一个11位标识符和一个位，RTR位，这对于数据帧而言是显性的。

• 对于CAN 2.0B，一个29位标识符（还包含两个隐性位：SRR和IDE）和RTR位。

2、数据字段包含0-8个字节的数据字段。 

3、CRC字段为15位校验和。此校验和用于错误检测。 

4、应答位，能够正确接收该消息的任何CAN控制器都会在每个消息的末尾发送应答位。发送端会检查是否存在应答位，并在未检测到消息的情况下重新发送该消息。

注1：值得注意的是，在总线上存在应答位并不意味着任何预期的接收方都收到了该消息。我们唯一知道的是，在总线上的至少一个或多个节点正确地收到了它。

注2：尽管存在ID字段与仲裁标识符，并不一定要求ID与消息的内容绑定并识别。这取决于上层应用协议。

这是CAN 2.0A 标准CAN的数据帧格式 

这是CAN 2.0B 拓展CAN的数据帧格式 

远程帧

远程帧类似于数据帧，但是有两个重要的区别： 

1、 它有明确的标记表示远程帧（仲裁字段中的RTR位是隐性的） 

2、 没有数据字段

远程帧的预期目的是征求相应数据帧的传输。例如，如果节点A发送将仲裁字段设置为0x234的远程帧，则节点B可能会用带有仲裁字段0x234的数据帧响应。

远程帧可用于实施总线流量管理的请求响应类型（请求->响应机制有利于控制总线流量与负载率）。但是，实际上，远程帧在汽车行业很少使用。还值得注意的是，CAN标准没有规定此处行为，对大多数CAN控制器来说，可以进行编程以自动响应远程帧，或者将其通知本地处理器。

除此之外，远程帧有一个捕获判断，数据长度代码必须设置为预期响应消息的长度。否则仲裁将不起作用。

远程帧（2.0a类型）

错误帧

简而言之，错误帧是一条特殊的消息，表征消息违反了CAN消息结构与规则。当节点检测到故障并导致所有其他节点检测到故障时，它会发送。然后，发送端将自动尝试重新发送消息。当然，这会有一个错误计数器方案，可确保节点无法通过反复传输错误帧来破坏总线流量。

错误帧由一个错误标志组成，该标志是相同值的6位（违反了位的规则）和一个错误定界符，即8个隐性位。错误定界符提供了一些时间，其中总线上的其他节点在检测第一个错误标志时可以发送错误标志。

过载帧

在这里提到过载帧，只是为了完整。它的格式与错误帧非常相似，并且它是由一个繁忙节点传输的。过载帧在汽车行业很少使用，并且现在的CAN控制器已做过优化，舍弃了过载帧的识别与发送，可以说过载帧是过时的，这里我只是顺便提一下。

标准CAN vs 拓展CAN

最初，CAN标准将仲裁字段中标识符的长度定义为11位。后来，客户需求迫使标准扩展。新格式通常称为扩展CAN，并且允许标识符中的不少于29位。为了区分两种帧类型，使用了控制字段中的保留位。

标准被正式称为

2.0A，仅具有11位标识符，

2.0B，扩展版本，具有完整的29位标识符（或11位，可以混合使用）2.0B节点可以是

• 2.0B完整，可以接收或者传输拓展帧。

• 2.0B兼容，兼容的意思是可以接收拓展帧，但是会被丢弃，不影响总线状态。

1.x指的是原始规范版本。

我们现在使用的CAN控制器通常是2.0B类型的。1.x或2.0A类型控制器无法接收拓展帧。很多情况下，有的人会觉得标准CAN比扩展CAN更好，因为扩展的CAN消息会增加开销。这种理念不一定是正确的。如果使用仲裁字段来传输数据，则扩展可能实际上可能具有比标准CAN更低的开销；不过大部分情况，我们使用CAN还不会到纠结是否使用仲裁字段传输数据的地步，毕竟都会做设计冗余。

总线仲裁与消息优先级

消息仲裁（多个CAN控制器同时使用总线），决定哪个控制器优先使用CAN总线是很重要的。 任何CAN控制器都可以在检测到空闲总线时启动消息发送。这可能会导致两个或多个控制器同时启动消息。冲突通过以下方式解决。传输节点在发送时监视公共总线。如果一个节点在发送隐性电平，它将立即退出仲裁过程并成为接收者。仲裁是在整个仲裁领域进行的，当该字段发送时，正好将一个控制器留在总线上。该节点继续传输，好像什么都没发生。其他潜在的控制器将尝试在下次可用时重新传输其消息。在仲裁过程中，不会浪费时间。

由于总线是有线电缆，并且显性位在逻辑上是0，因此得出的是，具有数值最低仲裁字段的消息将赢得仲裁。ID越小，优先级越高。

问：如果一个节点独自在CAN总线上并试图传输会发生什么？

答：节点当然会赢得仲裁，并随着消息传输而愉快地进行。但是，当确认的时间到来了……在ACK期间没有任何节点会发送应答，因此控制器会感觉到ACK错误，发送错误标志，将其发送误差计数器增加8并开始重新发送。这将发生16次；然后，发射器将出现被动错误。如果节点为被动错误，并且错误为ACK应答错误，则发送错误计数器不会进一步增加。因此，节点将继续永远传输，直到有节点应答该信息为止。

消息地址与标识

值得再次注意的是，CAN消息中没有明确的地址。每个CAN Controller将在总线上接收所有消息，并结合硬件过滤器和软件过滤器，确定该消息是否是自己感兴趣的消息。

实际上，CAN中没有消息地址的概念。相反，消息的内容由消息中存在的标识符标识。传统的消息地址将使用“节点ID”加入消息，变成“包含节点ID的数据的消息”。这两个概念之间的区别很小，但很重要。

根据标准，仲裁字段的内容用于确定总线上消息的优先级。所有CAN控制器将使用仲裁字段作为硬件过滤的值。该标准并不表示必须将仲裁字段用作消息标识符。但是，这是一种非常普遍的用法。汽车行业中，仲裁字段的标识符就是CAN报文ID的实际特征。

CAN总线使用非归零码（NRZ），有两个不同的信号状态：显性（逻辑上0）和隐性（逻辑上1）。总线电平按照线与机制对总线潜在的冲突进行仲裁，显性电平覆盖隐性电平，即只有总线上所有单元都输出隐性电平时，总线上才为隐性电平。

典型的:

• CAN总线为“隐性”（逻辑1）时，CAN_H和CAN_L的电平为2.5V（电位差为0V）

• CAN总线为“显性”（逻辑0）时，CAN_H和CAN_L的电平分别是3.5V和1.5V（电位差为2.0V左右） 当然，2.5V，3.5V和1.5V并不绝对，重点是电位差。一般认为电位差<0.5V是隐形电平，电位差>0.9V为显性

下面几张图分别为示波器抓取的CAN-H与CAN-L的信号波形，红色为CAN-H，蓝色为CAN-L 

几种不同的物理层

有几种不同的物理层：

• 最常见的类型是由CAN标准ISO 11898-2定义的类型。有时也被称为“高速CAN”。

• ISO标准的另一部分ISO 11898-3定义了另一个两线电平方案，用于较低的总线速度。它的容错率更高，即使将一条总线线切割或短路至地面或VBAT，信号传导也可以继续。有时被称为“低速CAN”。

• SAE J2411定义了单线（对低0电平）物理层，它主要用于汽车 。

最大总线速率

根据标准，CAN总线的最大速度为1Mbit/秒。但是，某些CAN控制器将处理比1Mbit/s更高的速度，并且可以考虑用于特殊应用。

低速CAN（ISO 11898-3，见上文）可以达到125 kbit/s；单线可以在其标准模式下达到约50 kbit/s，并且使用特殊的高速模式用于ECU编程，大约100 kbit/s。

最低总线速率

请注意，某些CAN收发器将不允许您低于一定比特率。如果您使用TJA1050，则不能低于50 kbit/s。在应用时请检查数据手册。就笔者遇到的情况，在汽车行业CAN总线的常见速率为：

• 250kbps,常见于商用车，公交、卡车之类。

• 500kbps和1Mbps，多见于乘用车，也就是普通人出行开的车 注：超过1M，都会使用CAN-FD协议，CAN-FD是CAN的再次拓展

最大线缆的长度（通信距离）

以1Mbit/s的速度，最大电缆长度约为40米。这取决于仲裁字段，他的机制需要采样，决定了要求信号能够传播到最遥远的节点，然后再返回，然后才能采样，而电子的传播速度等于光速。 其他最大电缆长度是（这些值近似）：

• 500 kbit/s的100米

• 250 kbit/s的200米

• 125 kbit/s的500米

• 10 kbit/s的6公里 

注意：如果在应用中使用了光耦或者其他隔离措施进行电流隔离，则最大总线长度会相应降低。因为光耦的引入会进一步带来延时。

终端和终端电阻

按照ISO-11898的CAN标准，CAN总线的两端使用120欧姆的电阻器完成匹配，这其实有两个作用：

1、消除总线末端的信号反射。

2、CAN总线的直流电平在两端得以维持一致。

当然，也可以始终不使用终端电阻，无论其速度如何。但是如果是按照ISO-11898标准，是必须使用终端电阻的。也许你在实验或者测试时，只使用了一个终端电阻就足够了，或者没有使用任何终端电阻，CAN总线依然正常工作，我只能说你很幸运了。

来源：聪拌面搞嵌入式