本文力求以圖文并茂來接好CAN通訊協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)，希望能給有興趣的朋友帶來一些收獲。

為了便于大家理解與接受，請(qǐng)先看一幅圖：

圖1 電話會(huì)議

簡(jiǎn)單地講CAN總線就如上圖1中兩根粗黃線，其通訊原理：好比開一個(gè)電話會(huì)議，大家都撥進(jìn)來了，這時(shí)會(huì)議的狀態(tài)可能是：

一人說，其他人聽；

兩人甚至多人同時(shí)開口了，但只會(huì)讓另一人說，其他人聽；

一人要求另一人說；

有人睡著了，掉線了，電話卡頓了... ...

針對(duì)于上述各種情況，要保證這個(gè)電話會(huì)議的有序高效地進(jìn)行，那么我們需要有一些約定俗成的規(guī)定或協(xié)議，大家都遵守。CAN總線通訊與這種電話會(huì)議形式有異曲同工之處，那么CAN總線通訊到底具體是怎么回事？接下來將以理論與實(shí)踐相結(jié)合方法來介紹CAN通訊協(xié)議。

第1部分 概覽

感謝前人引路，激勵(lì)后人前行，先簡(jiǎn)要引自：

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國(guó)博世公司在20世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域。隨著CAN總線在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范（Version2.0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個(gè)部分。其中2.0A給出了CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。

1.1 CAN總線架構(gòu)簡(jiǎn)介

CAN總線是一種用于在不同的ECU（電子控制單元）之間傳輸數(shù)據(jù)的線，CAN總線協(xié)議是一種ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，有 ISO-11898 和 ISO-11519兩個(gè)系列。其定義有：

ISO-11898 定義了通信速率為 125 kbps ~1Mbps 的高速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長(zhǎng)度 ≤ 40米，如圖2。

ISO11519 定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時(shí)，總線長(zhǎng)度可達(dá)1000米，如圖2。

圖2 兩類CAN總線（引自[1]）

高速CAN和低速CAN廣泛應(yīng)用于汽車總線，如下圖3。

圖3 兩類CAN總線應(yīng)用在汽車(引自[2])

CAN總線終端電阻的作用？為什么是120Ω？為什么是0.25W？

CAN通訊速率(位速率)與CAN總線長(zhǎng)度的關(guān)系大致如下圖。

以上介紹了高低速CAN兩種總線架構(gòu)的基本概念，接下來具體看看這兩種CAN總線。

1.2 CAN總線結(jié)構(gòu)信息

將上圖2細(xì)化，我們可以看到兩種CAN總線結(jié)構(gòu)都有CAN_H，CAN_L兩根線和多個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中CAN_H和CAN_L線是以雙絞形式纏繞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有CAN收發(fā)器（transceiver）和CAN控制器（controller），CAN收發(fā)器和CAN控制器可能集成在芯片（on-chip），也可能是獨(dú)立于芯片(off-chip)。（圖3列舉了兩種CAN收發(fā)器--TJA1054和82C250）

圖4 兩類CAN總線（引自[3]）

圖6 雙絞線形式（提高抗干擾能力，引自附1）

附1: CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”zhuanlan.zhihu.com/p/26

1.3 CAN總線信號(hào)

CAN總線上，信號(hào)表現(xiàn)為電壓形式，通過CAN_H和CAN_L線上的電位差來表示CAN信號(hào)，分為顯性電平(dominant)和隱性電平(recessive)兩種類型。其中顯性電平規(guī)定為邏輯0，隱性電平則為邏輯1。其具體定義可通過下圖來理解。

圖7 ISO-11898 (高速CAN）和ISO-11519（低速CAN）的CAN信號(hào)定義（引自[3]）

具體說，如上圖第1幅圖：當(dāng)CAN_H和CAN_L的電壓均為2.5v，兩者電壓差為0，就規(guī)定CAN信號(hào)為隱性電平；當(dāng)CAN_H的電壓為3.5v，CAN_L的電壓為1.5v，兩者電壓差為2V，就規(guī)定CAN信號(hào)為顯性電平。這里實(shí)際的規(guī)定是：電壓差滿足定義的一定范圍，就可以認(rèn)為是顯性電平或者隱性電平，比如電壓差在1.5-2.5v范圍，都認(rèn)為是顯性電平。

為了加深理解，看了一段實(shí)際采集的電壓形式的CAN信號(hào)：

圖8 高速CAN總線實(shí)際電壓狀態(tài)

1.4 CAN信號(hào)傳輸

上述的電位差（差分電平）與邏輯電平由CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。在發(fā)送過程，CAN控制器將CPU傳來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平。CAN收發(fā)器接收邏輯電平之后，再將其轉(zhuǎn)換為差分電平輸出到CAN總線上。

圖9 CAN信號(hào)發(fā)送（引自3）

在接收過程，CAN收發(fā)器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來的差分電平轉(zhuǎn)換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到CPU上。

圖10 CAN信號(hào)接收（引自3）

通俗地講，就是發(fā)送方通過CAN收發(fā)器使總線電平發(fā)生變化，將其信息傳遞到CAN總線上。接收方通過監(jiān)聽總線電平，將總線上的消息讀入自己的CAN收發(fā)器。

由上可知：CAN總線有2種架構(gòu)，CAN信號(hào)有2種形式，CAN信號(hào)發(fā)送和接收2個(gè)過程。

第2部分 CAN總線特性

為了有助于理解后面講述的內(nèi)容，先看CAN總線有什么特性。

2.1 多主工作方式

CAN總線上的所有節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，反應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸上是：在總線空閑狀態(tài)下，任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送信息。另外：最先向總線發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)；當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送消息時(shí)，所發(fā)送消息的優(yōu)先權(quán)高的那個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。

圖11 多主工作方式示意圖(引自[5])

圖11說明：0x12優(yōu)先級(jí)高于0x67，所以0x12先于0x67發(fā)送；緊接著0x52也要求發(fā)送，同樣其優(yōu)先級(jí)也高于0x67，所以0x52先于0x67發(fā)送，依次類推。這里0x12優(yōu)先級(jí)高于0x67是怎么判斷的呢？這就下個(gè)特點(diǎn)相關(guān)。

2.2 非破壞性仲裁機(jī)制

非破壞性仲裁機(jī)制是一種既不會(huì)造成已發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲，也不會(huì)破壞已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)的仲裁機(jī)制，其具體實(shí)施需要了解CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，線與機(jī)制等。其中，線與機(jī)制簡(jiǎn)單說就是位與計(jì)算，顯性電平會(huì)覆蓋隱性電平（換種方式理解：電路通路情況下，有一個(gè)端點(diǎn)接地（GND），那么整個(gè)電路電壓就接地了）。

圖12 線與機(jī)制圖解(引自[6])

再了解線與機(jī)制后，看一個(gè)簡(jiǎn)單的仲裁例子，如下圖：

上圖：假設(shè)CAN總線上只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn) A和B，它倆的ID用邏輯電平表示，我們規(guī)定：從SOF位開始，從左往右逐位比較，只要出現(xiàn)位不一樣，比較就結(jié)束，顯性電平者勝出，有權(quán)發(fā)送。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A，B都發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，開始逐位比較，直到它倆的ID7位，節(jié)點(diǎn)A為顯性電平，節(jié)點(diǎn)B為隱性電平。根據(jù)線與機(jī)制，節(jié)點(diǎn)A勝出，優(yōu)先發(fā)送。這就是一個(gè)大致的非破壞性仲裁過程。為了精準(zhǔn)地實(shí)施仲裁過程，對(duì)CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，后續(xù)將會(huì)詳細(xì)分析。

2.3 系統(tǒng)的柔軟性

與總線相連的節(jié)點(diǎn)沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，連接在總線上的其它節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

2.4 通信速度

根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可設(shè)定適合的通信速度。在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度。即使有一個(gè)單元的通信速度與其它的不一樣，此單元也會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。（簡(jiǎn)單一句話理解：雙方必須需要在同一頻道交流，不然溝通就有障礙）

引自[6]

2.5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求

可通過發(fā)送“遙控幀” 請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

引自[6]

2.6 信息廣播

信息廣播就如：節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一條ID 0x12的信息，然后節(jié)點(diǎn)B,C,D都能收到。

引自[5]

上圖節(jié)點(diǎn)B,C,D最終是否會(huì)接收這個(gè)0x12發(fā)送信息，與他們?cè)O(shè)置相關(guān)，如下圖只有節(jié)點(diǎn)B設(shè)置接收，C，D將會(huì)丟棄該條信息，這個(gè)過程與報(bào)文過濾相關(guān)。

第3部分 CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

上述仲裁機(jī)制部分我們提到CAN協(xié)議幀，總的來說CAN協(xié)議幀有5種類型，下面逐個(gè)展開。

引自[4]

由于數(shù)據(jù)幀與遙控幀的最大差別在于遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，所以將兩者放在一起講述：

3.1數(shù)據(jù)幀和遙控幀

數(shù)據(jù)幀和遙控幀都有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，這2種格式都具有相同的幀結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成，遙控幀由6個(gè)段構(gòu)成。先看數(shù)據(jù)幀：

圖13 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及其兩種格式(引自[4])

引自[6]

這里結(jié)合實(shí)際采集的CAN總線電壓信號(hào)來看下標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)（格式）數(shù)據(jù)幀的CAN總線電壓（引自[5]）

再看遙控幀（也叫遠(yuǎn)程幀）：

圖15 遙控幀的兩種格式（引自[4]）

通過圖13和15對(duì)比數(shù)據(jù)幀和遙控幀有：

通過對(duì)數(shù)據(jù)幀和遙控幀有了基本認(rèn)識(shí)，下面我們?cè)倬唧w了解下每個(gè)段。

1) 幀起始（SOF, Start of Frame）

表示幀開始的段，1個(gè)位的顯性位。（總線空閑時(shí)為隱性位，故幀起始以顯性位非常好識(shí)別），對(duì)于數(shù)據(jù)幀和遙控幀的標(biāo)準(zhǔn)/擴(kuò)展格式均如此。

引自[4]

2) 仲裁段（Arbitration field）

表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)的段，起作用就是根據(jù)報(bào)文ID來確定其發(fā)送優(yōu)先級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式在此的構(gòu)成有所不同。

引自[4]

這里對(duì)比數(shù)據(jù)幀與遙控幀各自的兩個(gè)格式，其不同為：

針對(duì)上表的這種設(shè)計(jì)，后面會(huì)具體分析其在仲裁過程的作用。

3) 控制段（Control field）

表述數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)，由6個(gè)位構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的構(gòu)成有所不同。

引自[4]

?

圖16 控制段與數(shù)據(jù)段的關(guān)系(引自[5])

4) 數(shù)據(jù)段(Data Field)

數(shù)據(jù)段可包含0-8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，從MSB（最高位）開始輸出。遙控幀沒有此段。

引自[4]

5) CRC段（Cyclic Redundancy Check Field）

檢查幀傳輸錯(cuò)誤的幀，由15個(gè)位的CRC順序和1個(gè)位的CRC界定符（用于分隔位）構(gòu)成。CRC界定符恒為隱性。

引自[4]

這里CRC順序是根據(jù)多項(xiàng)式生成的CRC值，CRC的計(jì)算范圍包括幀起始，仲裁段，控制段和數(shù)據(jù)段。

圖17 CRC序列計(jì)算方法

附2：en.wikipedia.org/wiki/C , 如何通俗的理解CRC校驗(yàn)并用C語言實(shí)現(xiàn)， zhuanlan.zhihu.com/p/77

6) ACK段（Acknowledge Field）

用來確認(rèn)是否正常接收。由ACK槽（ACK Slot）和ACK界定符2個(gè)位構(gòu)成。

引自[4]

?

圖18 發(fā)送與接收時(shí)的ACK槽狀態(tài)(引自[3])

7) 幀結(jié)束(End of Frame)

表示該幀的結(jié)束的段。由7個(gè)位的隱性位構(gòu)成。

引自[4]

3.2 錯(cuò)誤幀

用于在接收和發(fā)送消息時(shí)檢測(cè)出錯(cuò)誤通知錯(cuò)誤的幀，錯(cuò)誤幀由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤界定符構(gòu)成。

圖19 錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)(引自[4])

上圖的錯(cuò)誤標(biāo)志包括主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（6個(gè)位的顯性位）和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（6個(gè)位的隱性位）兩種。主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)下的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志。被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)輸出的錯(cuò)誤標(biāo)志。錯(cuò)誤界定符由8個(gè)位的隱性位構(gòu)成。

注意上圖0~6位的錯(cuò)誤標(biāo)志重疊，這段怎么確定呢？需先介紹2個(gè)概念：位填充和錯(cuò)誤類型。

1）位填充(Bit Stuffing)

位填充是為防止突發(fā)錯(cuò)誤而設(shè)定的功能。當(dāng)同樣的電平持續(xù)5位則添加一個(gè)位的反型數(shù)據(jù)位：

圖20 位填充示意(引自[4])

注意：位填充作用范圍為SOF-CRC段機(jī)間的數(shù)據(jù)。

2）錯(cuò)誤類型

引自[4]

圖21 CRC匹配示意(引自[6])

圖22 CRC錯(cuò)誤(引自[6])

針對(duì)上述位錯(cuò)誤再做說明（引自[3]）：所謂“發(fā)出的電平與從總線上回讀的電平不一致”，指的就是節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)出隱性位，卻從總線上回讀到顯性位或者節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)出顯性位，卻從總線上回讀到隱性位這兩種情況。有三種例外情況不屬于位錯(cuò)誤：在仲裁區(qū)，節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送隱性位卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯(cuò)誤，這種情況表示該節(jié)點(diǎn)仲裁失??；在ACK槽，節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送隱性位卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯(cuò)誤，這種情況表示，該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前發(fā)送的這一幀報(bào)文至少被一個(gè)其它節(jié)點(diǎn)正確接收；一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，該節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送連續(xù)六個(gè)隱性位（被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志）卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯(cuò)誤。因?yàn)楸粍?dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志是六個(gè)連續(xù)的隱性位，所以在總線上按照線與機(jī)制，有可能這六個(gè)連續(xù)隱性位被其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的顯性電平覆蓋。

3）錯(cuò)誤處理

錯(cuò)誤狀態(tài)的種類有：主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)，被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)和總線關(guān)閉態(tài)3種狀態(tài)。單元始終處于3種狀態(tài)之一。

（1）主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)：可以正常參加總線通信的狀態(tài)，處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，輸出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。

（2）被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)：是易引起錯(cuò)誤的狀態(tài)。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元雖能參加總線通信，但為不妨礙其他單元通信，接收時(shí)不能積極地發(fā)送錯(cuò)誤通知；處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元即使檢測(cè)出錯(cuò)誤，而其它處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元如果沒發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，整個(gè)總線也被認(rèn)為是沒有錯(cuò)誤的。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，輸出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。另外，處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元在不能馬上再次開始發(fā)送。在開始下次發(fā)送前，在間隔幀期間內(nèi)必須插入“延遲傳送”（8個(gè)位的隱性位）。

（3）總線關(guān)閉態(tài)是不能參加總線上通信的狀態(tài)。信息的接收和發(fā)送均被禁止。

以上這些狀態(tài)依靠發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)算和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)來管理，根據(jù)計(jì)數(shù)值決定進(jìn)入何種狀態(tài)。錯(cuò)誤狀態(tài)和計(jì)數(shù)值的關(guān)系如下表：

?

圖23 單元的錯(cuò)誤狀態(tài)(引自[4])

發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值根據(jù)一定的條件發(fā)送變化。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值的變動(dòng)條件如下表，一次數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可能同時(shí)滿足多個(gè)條件。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器在錯(cuò)誤標(biāo)志的第一個(gè)位出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)上開始計(jì)數(shù)。

引自[4]

4）錯(cuò)誤幀發(fā)送

檢查到錯(cuò)誤后，什么時(shí)候發(fā)送錯(cuò)誤幀呢？按照CAN協(xié)議的規(guī)定：

位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、ACK錯(cuò)誤。在錯(cuò)誤產(chǎn)生的那一位的下一位開始發(fā)送錯(cuò)誤幀。

CRC錯(cuò)誤。緊隨ACK界定符后的位發(fā)送錯(cuò)誤幀。

具體來看一個(gè)例子：

圖24 錯(cuò)誤幀(引自[3])

1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A發(fā)送一個(gè)顯性位，但是卻從總線上聽到一個(gè)隱形位，于是Node_A節(jié)點(diǎn)就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)位錯(cuò)誤；

2）Node_A檢測(cè)到位錯(cuò)誤之后，立即在下一位開始發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤幀：6個(gè)連續(xù)顯性位的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志+8個(gè)連續(xù)隱性位的錯(cuò)誤界定符；

3）對(duì)應(yīng)Node_A發(fā)出的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，總線上電平為6個(gè)連續(xù)顯性位；

4）接收節(jié)點(diǎn)Node_B和Node_C從總線上聽到連續(xù)6個(gè)顯性位，那么就會(huì)檢測(cè)到一個(gè)填充錯(cuò)誤，于是這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤幀；

5）對(duì)應(yīng)Node_B和Node_C發(fā)出的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，總線電平又有6個(gè)連續(xù)顯性電平，對(duì)應(yīng)Node_B和Node_C發(fā)出的錯(cuò)誤界定符，總線電平有8個(gè)連續(xù)的隱性電平。

6）在間歇場(chǎng)之后，Node_A節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送剛剛出錯(cuò)的報(bào)文。

在了解了錯(cuò)誤幀的發(fā)送后，回到之前提到錯(cuò)誤標(biāo)志重疊部分是怎樣形成的，再看一個(gè)例子：

圖25 (引自[3])

在這個(gè)例子，我們知道位錯(cuò)誤的錯(cuò)誤標(biāo)志與填充錯(cuò)誤的錯(cuò)誤標(biāo)志重疊2位，剩下部分還有4位：

引自[4]

3.3 過載幀

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。過載幀由過載標(biāo)志（6個(gè)位的顯性位）和過載界定符(8個(gè)位的隱性位)構(gòu)成。過載界定符的構(gòu)成與錯(cuò)誤界定符的構(gòu)成相同。過載幀的構(gòu)成如下圖所示。

引自[4]

對(duì)于過載幀的幀結(jié)構(gòu)我們可以這樣理解：接收節(jié)點(diǎn)達(dá)到接收極限時(shí)，就會(huì)發(fā)出過載幀到總線上，顯然，過載標(biāo)志的6個(gè)連續(xù)顯性位會(huì)屏蔽掉總線上其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，也就是說這個(gè)時(shí)候的接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送過載幀的方式來破壞其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，這樣在接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀期間，其它節(jié)點(diǎn)就不能成功發(fā)送報(bào)文，于是就相當(dāng)于把其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送推遲了，也就是說接收節(jié)點(diǎn)在其發(fā)送過載幀的這段時(shí)間得以“休息”。

有3種情況會(huì)引起過載幀：

接收節(jié)點(diǎn)自身原因。接收節(jié)點(diǎn)由于某種原因需要延遲接收下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或者遙控幀。

在幀間隔的間歇段的第一位和第二位檢測(cè)到一個(gè)顯性位（正常的間歇段都是隱性位）。幀間隔的間隔段本應(yīng)是三個(gè)連續(xù)的隱性位，如果接收節(jié)點(diǎn)在間隔段檢測(cè)到顯性位，那么就意味著此時(shí)有報(bào)文發(fā)向接收節(jié)點(diǎn)，但這個(gè)時(shí)候是不應(yīng)該有報(bào)文發(fā)來的，于是接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀。

CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符或過載界定符的第八位(最后一位)聽到一個(gè)顯性位0，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)過載幀，且錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不會(huì)增加。接收節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符和過載界定符的最后一位聽到顯性位，也意味著有報(bào)文發(fā)向接收節(jié)點(diǎn)，但這個(gè)時(shí)候是不應(yīng)該有報(bào)文發(fā)來的，于是接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀。

3.4 幀間隔

幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯(cuò)誤幀前不能插入幀間隔。

引自[4]

針對(duì)上圖，間隔為3個(gè)位的隱性位；總線空閑為隱性電平，無長(zhǎng)度限制（0亦可）；延遲傳送為8個(gè)位的隱性位，只在處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元?jiǎng)偘l(fā)送一個(gè)消息后的幀間隔中包含的段。這里為什么需要延遲傳送段呢？

首先，考慮主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)A，發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志之后，隨之就要重新發(fā)送剛剛發(fā)送失敗的報(bào)文，但是為了間隔開與前面剛剛發(fā)送的錯(cuò)誤幀，總線在錯(cuò)誤幀之后就會(huì)插入３個(gè)隱形位的幀間隔，在這３個(gè)隱形位期間，其它的節(jié)點(diǎn)不足以判定總線空閑（需要連續(xù)11個(gè)隱性位才能判定），所以節(jié)點(diǎn)A仍然占據(jù)著總線的控制權(quán)，于是在幀間隔之后，節(jié)點(diǎn)A能夠接著發(fā)送報(bào)文?，F(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)入到被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)了，說明它已經(jīng)不是很可靠了，這個(gè)時(shí)候如果沒有延遲傳送段，在節(jié)點(diǎn)A發(fā)出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志之后，它仍然能夠在3位的幀間隔之后立即重新發(fā)送報(bào)文，這是不符合我們對(duì)被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的處理要求的當(dāng)然也是不符合CAN協(xié)議的，于是乎對(duì)于發(fā)送出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志的節(jié)點(diǎn)，總線在幀間隔中加入了８?jìng)€(gè)連續(xù)隱性位的延遲傳送段，這樣的3+8=11個(gè)連續(xù)隱性位。就能讓節(jié)點(diǎn)A在這個(gè)幀間隔期間失去對(duì)總線的控制權(quán)，從而優(yōu)先保證其它正常(處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài))節(jié)點(diǎn)能夠使用總線，而不必等著一個(gè)已經(jīng)不可靠的節(jié)點(diǎn)A占據(jù)總線。

到此CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)就基本介紹完了，下面綜上所述來分析下具體的總線仲裁：

第4部分 總線仲裁

基于上節(jié)的仲裁段和控制段，這里主要考慮幾種情況的仲裁：假設(shè)一條CAN總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Node_A和Node_B。在總線空閑時(shí)，總線上為隱性電平，就在這個(gè)時(shí)候Node_A 和 Node_B 這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，如下圖，其中，Tx表示發(fā)送，Rx表示接收，也就是說每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有發(fā)送與接收。

當(dāng)作為發(fā)送方的節(jié)點(diǎn)會(huì)去接收自己發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行檢查，即回讀機(jī)制（節(jié)點(diǎn)在向總線上發(fā)送報(bào)文的過程中，同時(shí)也對(duì)總線上的二進(jìn)制位進(jìn)行“回讀”，對(duì)比該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的二進(jìn)制位與總線上當(dāng)前的二進(jìn)制位是否一致，就可節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否被正確接收。)

圖26 仲裁過程(引自[3])

情況1：仲裁在前11位ID就結(jié)束 ，如上圖。

從D28-D18，采用線與機(jī)制，逐位進(jìn)行比較，一旦某位出現(xiàn)不同，上圖的ID25，則顯性位覆蓋隱性位，仲裁結(jié)束，顯性位的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)勝出，上圖的Node_A。

情況2：仲裁在前11位ID未結(jié)束，即說明前11位ID相同

在這種情況下，我們就需要回顧一下前面的一個(gè)表：

根據(jù)這個(gè)表，我們可以進(jìn)一步分為4種情況：

標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀與遙控幀，看RTR位，數(shù)據(jù)幀的RTR位恒為顯性，遙控幀的RTR位恒為隱性。故前11位ID號(hào)相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)高于標(biāo)準(zhǔn)遙控幀。

擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀與遙控幀，在前11位ID和后18位ID全相同的情況，與上條一致。

數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式，比較標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位與擴(kuò)展格式的SRR位，標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位恒為顯性，擴(kuò)展格式的SRR位恒為隱性。故前11位ID號(hào)相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

遙控幀的標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式，看IDE位，擴(kuò)展格式的IDE位恒為隱性，標(biāo)準(zhǔn)格式的IDE位在控制段，恒為顯性。故前11位ID號(hào)相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)遙控幀優(yōu)先級(jí)高于擴(kuò)展遙控幀。

通過上述分析，我們可以知道在前11位ID號(hào)相同時(shí)，根據(jù)協(xié)議設(shè)定的RTR, SRR, IDE，就可以保證如下：

RTR：保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)高于遙控幀；

SRR ：保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀；

IDE ：保證標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的優(yōu)先級(jí)高于擴(kuò)展遙控幀。

第5部分 報(bào)文過濾

在CAN總線中沒有地址的概念，CAN總線是通過報(bào)文ID來實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的。CAN節(jié)點(diǎn)上都會(huì)有一個(gè)驗(yàn)收濾波ID表，其位于CAN節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波器中，如果總線上的報(bào)文的ID號(hào)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波ID表中，那么這一幀報(bào)文就能通過該節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收濾波器的驗(yàn)收，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)接收這一幀報(bào)文。假設(shè)有設(shè)置：

可看報(bào)文過濾過程如下圖示意：

圖27 報(bào)文發(fā)送到接收的過程

關(guān)于報(bào)文過濾具體如何實(shí)現(xiàn)，后續(xù)將會(huì)寫相關(guān)文章。

第6部分 數(shù)據(jù)傳輸同步

6.1 位速率概念

位速率（也叫做比特率）表示的是單位時(shí)間內(nèi)，總線上傳輸?shù)男畔⒘?，即每秒能夠傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量，R=1/T ，單位是bit per second。比如比特率為8bit/s，意思為一秒傳輸了8bit，包含了8個(gè)二進(jìn)制事件的信息量。注意位速率與波特率不是同一概念。

摘自：zhuanlan.zhihu.com/p/10?實(shí)際傳輸中，傳輸速率以每秒發(fā)送的符號(hào)（baud）數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，即波特率。?當(dāng)一個(gè)符號(hào)只包含兩種可能，即一個(gè)事件兩種可能，那么此時(shí)1baud=1bit。此時(shí)波特率等于比特率。一個(gè)符號(hào)也有可能包含多個(gè)可能，例2中，一個(gè)符號(hào)中包含四個(gè)電平，那么接受端的一個(gè)事件，有了abcd四種可能，那么1baud=2bit。此時(shí)波特率為比特率的兩倍。

6.2 位時(shí)序

第3部分講到幀結(jié)構(gòu)，我們知道每一幀數(shù)據(jù)（即一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀）有很多位組成，當(dāng)發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)到總線時(shí)，接收方怎么準(zhǔn)確接收到這幀數(shù)據(jù)呢？實(shí)際采用逐位逐位地接收數(shù)據(jù)。

引自[3]

具體來說，將一個(gè)位分為4段，如上圖所示。這些段又由可稱為Time Quantum(以下稱為Tq)的最小時(shí)間單位構(gòu)成。1位分為4個(gè)段，每個(gè)段又由若干個(gè)Tq構(gòu)成，這稱為位時(shí)序。1位由多少個(gè)Tq構(gòu)成，每個(gè)段又由多少個(gè)Tq構(gòu)成等，可以任意設(shè)定位時(shí)序。通過設(shè)定位時(shí)序，多個(gè)單元可同時(shí)采樣，也可任意設(shè)定采樣點(diǎn)。各段的作用和Tq數(shù)如下表：

引自[4]

所謂采樣點(diǎn)是讀取總線電平，并將讀到的電平作為位值的點(diǎn)，位置在PBS1結(jié)束處。

CAN協(xié)議的通信方法為NRZ方式，各個(gè)位的開頭或者結(jié)尾都沒有附加同步信號(hào)。發(fā)送單元以與位時(shí)序同步的方式開始發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，接收單元根據(jù)總線上電平的變化進(jìn)行同步并進(jìn)行接收工作。但是，發(fā)送單元和接收單元存在的時(shí)鐘頻率誤差及傳輸路徑上的（電纜/驅(qū)動(dòng)器等）相位延遲會(huì)引起同步偏差，因此接收單元通過硬件同步或者再同步的方法調(diào)整時(shí)序進(jìn)行接收。

6.3 硬同步

在總線空閑狀態(tài)，接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出幀起始（SOF位）時(shí)，會(huì)調(diào)整當(dāng)前位的同步段，調(diào)整寬度不限。如下圖假設(shè)這時(shí)檢測(cè)的時(shí)SOF位。

那么硬同步簡(jiǎn)單說就是接收節(jié)點(diǎn)直接與發(fā)送節(jié)點(diǎn)同步(真有硬的味道)，如下：

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A在發(fā)送SOF位時(shí)，SOF位的下降沿在SS段；
2）這個(gè)時(shí)候接收節(jié)點(diǎn)Node_B發(fā)現(xiàn)自己當(dāng)前位的SS段和發(fā)送節(jié)點(diǎn)SOF位的SS段不同步。也就是說當(dāng)Node_A
產(chǎn)生SOF位SS段時(shí)，Node_B的當(dāng)前位的SS段已經(jīng)在5個(gè)Tq之前產(chǎn)生了；
3）于是接收節(jié)點(diǎn)Node_B強(qiáng)行將自己當(dāng)前位的SS段拉到與SOF位的SS段同步。

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?

6.4 再同步

接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出除SOF位以外的其他位時(shí)，進(jìn)行的同步調(diào)整。重同步會(huì)通過加長(zhǎng)PSB1段，或縮短PBS2段來調(diào)整同步，以保證采樣點(diǎn)的準(zhǔn)確。

對(duì)于再同步，需一個(gè)概念SJW（同步跳轉(zhuǎn)寬度），是指PSB1和PSB2再同步時(shí)允許跳轉(zhuǎn)的最大寬度，其必須滿足以下2個(gè)條件：

SJW必須小于PBS1和PBS2的最小值；

SJW最大值不能超過4。

下面看一下再同步的兩種情況：

情況1：PSB1段加長(zhǎng)（發(fā)的晚，收的早）

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A比接收節(jié)點(diǎn)Node_B的時(shí)間慢了，也就是說Node_A當(dāng)前位的ss段產(chǎn)生的時(shí)候，Node_B 
當(dāng)前位的ss段已經(jīng)在2個(gè)Tq之前產(chǎn)生了；
2）所以這個(gè)時(shí)候接收節(jié)點(diǎn)Node_B就將PBS1延長(zhǎng)2個(gè)Tq的時(shí)間；
3）于是這個(gè)時(shí)候Node_A當(dāng)前位的采樣點(diǎn)就和Node_B的采樣點(diǎn)同步了。

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情況2：PSB2段縮短（發(fā)的早，收的晚）

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A當(dāng)前位的SS段誕生2Tq時(shí)長(zhǎng)之后，接收節(jié)點(diǎn)Node_B的當(dāng)前位才產(chǎn)生SS段；
2）于是，接收節(jié)點(diǎn)Node_B當(dāng)前位的PBS2段縮短，
3）這樣就會(huì)導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)Node_B的下一位能夠提前2個(gè)Tq，從而Node_B的下一位采樣點(diǎn)和Node_A下一位
的采樣點(diǎn)能夠同步。

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6.5 調(diào)整同步的規(guī)則

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硬件同步和再同步遵從如下規(guī)則。
1) 1 個(gè)位中只進(jìn)行一次同步調(diào)整。
2) 只有當(dāng)上次采樣點(diǎn)的總線值和邊沿后的總線值不同時(shí)，該邊沿才能用于調(diào)整同步。
3) 在總線空閑且存在隱性電平到顯性電平的邊沿時(shí)，則一定要進(jìn)行硬件同步。
4) 在總線非空閑時(shí)檢測(cè)到的隱性電平到顯性電平的邊沿如果滿足條件（1）和（2），將進(jìn)行再同步。
但還要滿足下面條件。
5) 發(fā)送單元觀測(cè)到自身輸出的顯性電平有延遲時(shí)不進(jìn)行再同步。
6) 發(fā)送單元在幀起始到仲裁段有多個(gè)單元同時(shí)發(fā)送的情況下，對(duì)延遲邊沿不進(jìn)行再同步。

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第7部分 位時(shí)間實(shí)例

本部分將根據(jù)Infineon的芯片手冊(cè)對(duì)位時(shí)間如何計(jì)算和如何配置位時(shí)間的寄存器進(jìn)行說明。

假設(shè)我們有一條需求：設(shè)置CAN通訊的波特率為500KBaud。

7.1 計(jì)算

Infineon芯片手冊(cè)提供的CAN總線位時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)格式定義如下圖，后面根據(jù)該定義進(jìn)行求解。

CAN總線位時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)：晶振時(shí)鐘周期頻率為40MHz，轉(zhuǎn)換為時(shí)間表示則為T=1/40MHz=25ns

NBT=16(即一個(gè)位有16個(gè)tq，time quantum)，

因?yàn)橐O(shè)置的波特率為500KBaud，換算時(shí)間表示則為1/500KBaud =2000ns，即傳輸一個(gè)位的時(shí)間要2000ns。那意味著16個(gè)tq就等于2000ns，即tq=125ns。

又因?yàn)橛校?/p>

所以：tq/T=125ns/25ns=5，因?yàn)锽RP只能為整數(shù)，這時(shí)取DIV8=0, BRP=4。

我們已經(jīng)NBT=16，假設(shè)我們采樣點(diǎn)取在50%處，即有：

50%=Tseg2/NBT=[(TSEG2+1)tq]/16*tq=(TSEG2+1)/16

即有：TSEG2=7。

那么Tseg1= NBT-Tseg2-Tsync=7tq，所以TSEG1=6。

再根據(jù)下式計(jì)算SJW, 這里直接假設(shè)TSJW=3*tq能保證下式兩個(gè)不等式成立（不在此處展開Tprope的討論），那么SJW=2。

綜上有：DIV8=0, BRP=4，TSEG1=6，TSEG2=7，SJW=2。

7.2 寄存器配置

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行位時(shí)間寄存器的配置，關(guān)于該寄存器的內(nèi)容以及配置信息見下圖。

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位時(shí)間寄存器說明

經(jīng)過上述配置，我們成功設(shè)置了CAN通訊的波特率為500KBaud。

7.3 補(bǔ)充：傳輸延遲時(shí)間tPTS

CAN報(bào)文在CAN總線上的傳輸時(shí)，物理延遲包含兩個(gè)部分：

在CAN-BUS上傳輸造成的延遲

在節(jié)點(diǎn)上傳輸造成延遲

按照CAN通信協(xié)議的規(guī)定，補(bǔ)償給傳播延遲的時(shí)間長(zhǎng)度要至少等于實(shí)際實(shí)際傳播延遲時(shí)長(zhǎng)的2倍，即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

注意：在CAN總線通信系統(tǒng)中是以時(shí)間量子Tq來度量時(shí)間的，所以如果延遲補(bǔ)償時(shí)間tPTS = 3.1Tq，那么這個(gè)時(shí)候要取：tPTS = 4Tq。

編輯：黃飛

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