[嵌入式]详解CAN 2.0协议

一、简介

1. 协议的制定：

   CAN是Controller Area Network的缩写，译为控制器局域网，常称作CAN总线，多用于汽车电子和工业控制。CAN协议最早由博世公司提出，后被多个标准化组织进一步细化，本文将在最后一节列出这些标准之间的细微差别。目前CAN总线中使用最广泛的正是CAN 2.0 A/B协议，也称作传统CAN（Classic CAN）。其中CAN 2.0A协议仅支持标帧格式，而CAN 2.0B协议支持标准帧格式（Stand Frame，11位标识符）和扩展帧格式（Extend Frame，29位标识符），CAN 2.0B协议的存在只是为了解决标识符不够用的情况（标识符也称作CAN ID，位于数据帧或遥控帧的仲裁场），所以CAN 2.0B和CAN 2.0A一样每个数据帧最多传输8个字节的数据。标准帧和扩展帧可以在同一条CAN总线上传输。仅支持CAN 2.0A的设备会丢弃接收到的扩展数据帧/扩展遥控帧（因为控制场的保留位不符合语法），但是不会报错。

2. 消息优先级：

   CAN总线上的每个设备都可以发起传输，当一个设备正发送消息时，总线上其它所有设备都能接收到消息。CAN协议并没有限制连接在CAN总线上设备的数量，标识符表示的是数据的含义，而不是消息要送达的设备，因此同一个设备可以发送具有不同标识符的消息。标识符的逻辑值越小优先级越高，且有消息优先级：标准数据帧>标准遥控帧>扩展数据帧>扩展遥控帧。

3. 通信方式：

   CAN协议采用NRZ方式进行编码，使用位填充的方式进行信号同步，通过广播的方式传递消息，仅支持半双工通信。CAN协议规定了两种总线值：逻辑“0”（对应“显性”位）和逻辑“1”（对应“隐性”位）。当两个CAN设备同时向同一根线上传输“显性”位和“隐性”位时，这根线上实际的状态应该是“显性”位，相当于执行了线与操作（wired-AND），总线空闲时逻辑值为“1”。若CAN设备在发送“隐性”位时却检测到总线值是“显性”位，则该设备自动退出发送（在可能发生抢占的时候），由此实现非破坏的仲裁机制。

4. 物理层

   CAN总线的硬件通常由双绞线组成（也可以是光缆），传输的是一对差分信号，一根线名为CAN-H（称为CAN高），一根线名为CAN-L（称为CAN低），电压差等于CAN-H上的电压减去CAN-L上的电压。逻辑值“0”用CAN-H为高电平、CAN-L为低电平表示，逻辑值“1”用CAN-H为低电平、CAN-L为高电平表示。
   CAN协议并没有规定CAN-H和CAN-L的高低电平具体是多少伏特，所以不同车厂、甚至同一辆车里不同CAN总线上的设备都是不能直接接在一起进行通信的（可以通过CAN网关进行通信），不过同一条CAN总线上的设备对于高低电平的定义一定是一样的。CAN协议同样没有规定位速率（bit rate），但连接在同一条总线上的设备必须使用相同的位速率。需要注意的是一条CAN总线需要能工作，还需要在总线最远端接的两个设备上各接一个终端电阻（连接CAN-H和CAN-L），这两个电阻的阻值通常都是120欧姆，如下图所示：

二、帧格式

1. 根据标识符长度来分类的话，CAN帧有标准帧和扩展帧两种；根据用途来分类的话，CAN帧有数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧四种：

   帧类型	用途	差别
   数据帧	向其它节点发送数据	扩展数据帧比标准数据帧多20位（1位SRR替代遥控请求位，1位IDE标识符扩展位，18位ID标识符，均在仲裁场内）
   遥控帧	请求其它节点发送指定标识符的数据帧	扩展遥控帧比标准遥控帧多20位（1位SRR替代遥控请求位，1位IDE标识符扩展位，18位ID标识符，均在仲裁场内）
   错误帧	通知其它节点自己检测到总线错误	标准错误帧与扩展错误帧相同，因为不含仲裁场
   过载帧	通知其它节点自己尚未做好接收准备	标准过载帧与扩展过载帧相同，因为不含仲裁场
   帧间空间	每两帧之间需要有帧间空间，错误帧和过载帧除外	标准帧与扩展帧的帧间空间相同，因为不含仲裁场

2. 一个标准/扩展数据帧（Data Frame）由如下7个部分组成：
   帧起始（Start Of Frame）代表着一个数据帧或遥控帧开始传输，CAN设备只能在总线空闲的时候才能发起传输，它仅由一个“显性”位构成，CAN总线上的所有设备在该“显性”位的前沿会进行信号同步。

   标准数据帧的仲裁场（Arbitration Field）由11位的标识符（ID，identifier）和1个遥控发送请求位（RTR-BIT，Remote Transmission Request BIT）组成。标识符的长度为11位，这些位以ID-10至ID-0的顺序发送（在支持CAN 2.0 B的设备中为ID-28至ID-18），最低位为ID-0（在支持CAN 2.0 B的设备中为ID-18），其中高7位（ID-10到ID-4）不能全为“隐性”位（在支持CAN 2.0 B的设备中为ID-28至ID-22），因此标识符的逻辑值越小优先级越高（逻辑值“0”代表“显性”位），在支持CAN 2.0 B的设备中标准帧里不存在的标识符低18位ID-17至ID-0可视为充零。遥控发送请求位RTR在数据帧中，必须是“显性”的，而在遥控帧中，遥控发送请求位RTR必须是“隐性”的，因此标准数据帧的优先级高于标准遥控帧。
   扩展数据帧的仲裁场（Arbitration Field）由11位的基本标识符（Base ID）、1位的替代遥控请求位（SRR，Substitute Remote Request BIT）、1位的标识符扩展位（IDE，Identifier Extension Bit）、18位的扩展标识符（Extend ID）、遥控发送请求位（RTR-BIT，Remote Transmission Request BIT）组成。基本标识符的长度为11位，这些位以ID-28至ID-18的顺序发送，最低位为ID-18，其中高7位（ID-28到ID-22）不能全为“隐性”位。替代遥控请求位SRR是一个“隐性”位，对应于标准数据帧仲裁场中“显性”的遥控发送请求位RTR的位置，因此标准数据帧的优先级高于扩展数据帧。标识符扩展位IDE也是一个“隐性”位，对应于标准数据帧/遥控帧控制场第1个保留位r1这个“显性”位，因此标准遥控帧的优先级高于扩展数据帧，仅支持CAN 2.0 A的接收端检测到保留位r1是“隐性”位时会丢弃该帧，而支持CAN 2.0 B的接收端则会根据此位将该帧识别为扩展数据帧/遥控帧。扩展标识符包括18位，按ID-17到ID-0的顺序发送。遥控发送请求位在数据帧中，必须是“显性”的，而在遥控帧中，RTR位必须是“隐性”的，因此扩展数据帧的优先级高于扩展遥控帧。
   控制场（Control Field）由6位组成，包括2位用作以后扩展的保留位（reserved bits）和4位数据长度码（Data Length Code）。发送端必须将两个保留位设置为“显性”位，若收到2个保留位不全是“显性”位的帧应该丢弃，而不是报错。数据长度码的逻辑值由下面的表格确定（d代表“显性”位，r代表“隐性”位）：
   
   数据场（Data Field）由数据帧中被发送的数据组成。它可包括0至8个字节，每个字节包括8位，其中首先发送最高有效位（MSB）。

   CRC场（CRC Filed）由15位的CRC序列和1位的CRC定界符组成。CRC序列由由帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假若存在）组成的无填充位流计算得出。CRC定界符紧跟在CRC序列后，由一个“隐性”位组成。
   应答场（ACK Field）由1位应答槽（ACK Slot）和1位应答定界符（ACK Delimiter）组成。发送端应该将应答槽置为“隐性”位，若接收端的CRC校验结果为成功，则接收端应该在此时将应答槽置为“显性”位，发送端检测到总线状态为“显性”状态时就知道至少有一个接收端成功接受了该帧数据。应答定界符是一个“隐性”位。
   帧结尾（End Of Frame）由7个“隐性”位组成。

3. 一个标准/扩展遥控帧（Remote Frame）由如下6个部分组成（比数据帧少了数据场，并且仲裁场中的RTR遥控发送请求位为“隐性”，控制场中DLC数据长度码为请求的数据长度，其它部分与数据帧一致）：

4. 一个标准/扩展错误帧（Error Frame）由如下2个部分组成（连接在CAN总线上的设备总是处于"错误主动"状态或"错误被动"状态或“总线关闭”状态中的一种，状态之间的跳转由发送错误计数值TEC和接收错误计数值REC这两个变量确定）：
   错误标志（Error Flag）分为主动错误标志（Active Error Flag）和被动错误标志（Passive Error Flag）两种，主动错误标志由6个“显性”位组成（由处于"错误主动"状态的设备检测到错误时发送），被动错误标志由6个“隐性”位组成（由处于"错误被动"状态的设备检测到错误时发送，总线状态可以被其它设备重写成“显性”位），发出被动错误标志的设备检测到总线上有6个相同的逻辑值时即视为被动错误标志发送完毕。因为总线上可能有多个设备产生的错误标志发生重叠（如位错误与填充错误的错误标志相重叠），所以总线上错误标志的实际长度为6到12位。本文第四节会专门讲CAN协议的错误处理。

   错误定界符（Error Delimiter）由8个“隐性”位组成，检测到总线上有8个连续的“隐性”位即为定界符传输完毕。

5. 一个标准/扩展过载帧（Overload Frame）由如下2个部分组成（接收端在数据帧或遥控帧结束后需要有延迟时，或帧间空间的间歇期间检测到”显性“位后，应立即发送过载帧）：
   过载标志（Overload Flag）由6个“显性”位组成，与主动错误标志相同，过载标志也可能出现重叠。

   过载定界符（Overload Delimiter）由8个“隐性”位组成，检测到总线上有8个连续的“隐性”位即为定界符传输完毕。

6. 一个标准/扩展帧间空间（Interframe Space）由如下2个或3个部分组成（紧跟在数据帧或遥控帧后，可被错误帧或过载帧覆盖或打断）：
   间歇（Intermission）由3个”隐性“位组成，间歇期间所有设备不允许发送数据帧或遥控帧，但可以发送错误帧或过载帧。

   暂停发送（Suspend Transmission）由8个”隐性“位组成，处于”被动错误“状态的设备在发送完一个数据帧或遥控帧后，应在帧间空间内多发8个”隐性“位以暂停发送，给其它可能想发送消息设备以抢占总线的时间。

   总线空闲（Bus Idle）由任意数量的“隐性”位组成，总线空闲期间任意设备都可以开始发送消息。

三、编码方式

1. 数据帧和遥控帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场（如果有的话）、CRC序列，均通过位填充的方法编码，即发送端在检测到5个连续相同逻辑值的位时，会自动在位流里插入一个不同逻辑值的位（用于信号同步）。
2. 数据帧和遥控帧的CRC定界符、应答场、帧结尾，以及错误帧、过载帧，均不进行位填充。

四、错误处理

1. 错误的种类（多种错误可能同时发生）：

   错误的种类	错误的内容	备注	需要检错的帧（场）	需要检错的设备
   位错误	比较输出值和总线值（不含填充位），当两值不一样时所检测到的错误。	1. 在仲裁场发送“隐性”位，但检测出“显性”位时，将被视为仲裁失利，而不是位错误。 2. 在仲裁场作为填充位发送“隐性”位时，但检测出“显性”位时，将不视为位错误，而是填充错误。 3. 发送端在应答槽发送“隐性”位，但检测到“显性”位时，将被判断为是其它设备的应答，而非位错误。 4. 发送被动错误标志（6个位隐性位）但检测出“显性”位时，将遵从错误标志的结束条件，等待检测出连续相同6个位的值（“显性”或“隐性”），并不视为位错误。	数据帧（SOF～EOF）、遥控帧（SOF～EOF）、错误帧、过载帧	发送端和接收端
   填充错误	在需要位填充的场内，连续检测到6位相同的逻辑值时所检测到的错误。		数据帧（SOF～CRC序列）、遥控帧（SOF～CRC序列）	发送端和接收端
   CRC错误	从接收到的数据计算出的CRC结果与接收到的CRC序列不同时所检测到的错误。		数据帧（CRC序列）、遥控帧（CRC序列）	接收端
   格式错误	检测出与固定格式的位相反的格式时所检测到的错误。	1. 即使接收端检测出EOF（7个位的隐性位）的最后一位（第8个位）为显性电平，也不视为格式错误。 2. 即使接收端检测出数据长度码（DLC）中9～15的值时，也不视为格式错误。	数据帧（CRC定界符、ACK定界符、EOF）、遥控帧（CRC定界符、ACK定界符、EOF）、错误定界符、过载定界符	接收端
   ACK错误	发送端在应答槽（ACK Slot）中检测出“隐性”位时所检测到的错误（ACK没被传送过来时所检测到的错误）。		数据帧（应答槽）、遥控帧（应答槽）	发送端

2. 错误帧的发送时机（检测出满足错误条件的设备发送错误标志通报错误，发送端发送完错误帧后，将再次发送数据帧或遥控帧）：

   错误的种类	输出时序
   位错误 填充错误 格式错误 ACK错误	从检测出错误后的下一位开始发送错误标志。
   CRC错误	应答定界符后的下一位开始发送错误标志。

3. CAN总线上的设备总处于以下三个状态中的一个：

   "错误主动"状态	"错误被动"状态	“总线关闭”状态
   "错误主动"状态说明该设备处于可以正常参加总线通信的状态	"错误被动"状态说明该设备处于易发生错误的状态	处于“总线关闭”状态的设备不允许参加总线上的通信
   处于"错误主动"状态的设备检测到错误时，发送主动错误标志（6个“显性”位）	处于"错误被动"状态的设备虽能参加总线通信，但为不妨碍其它设备通信，接收时不能积极地发送错误通知	消息的接收和发送均被禁止
   	处于"错误被动"状态的设备即使检测到错误，而其它处于"错误主动"状态的设备如果没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的
   	处于"错误被动"状态的设备检测出错误时，发送被动错误标志（6个“隐性”位）
   	另外，处于"错误被动"状态的设备在发送结束后不能马上再次开始发送。在开始下次发送前，在帧间空间内必须插入“暂停发送”（8 个位的“隐性”位）

4. 发送错误计数值TEC和接收错误计数值REC的变动条件如下表所示（一次数据的接收和发送可能同时满足多个条件，多个错误标志即便发生重叠也需要分别计算）：

   	接受和发送错误计数值的变动条件	发送错误计数值（TEC）	接收错误计数值（REC）
   1	接收端检测出错误时。例外：接收端在发送错误标志或过载标志中检测出“位错误”时，接收错误计数值不增加。	——	+1
   2	接收端在发送完错误标志后检测到的第一个位为"显性"位时。	——	+8
   3	发送端在输出错误标志时。	+8	——
   4	发送端在发送主动错误标志或过载标志时，检测出位错误。	+8	——
   5	接收端在发送主动错误标志或过载标志时，检测出位错误。	——	+8
   6	各设备从主动错误标志、过载标志的最开始检测出连续14个位的“显性”位时。之后，每检测出连续的8个位的“显性”位时。	发送时+8	接收时+8
   7	检测出在被动错误标志后追加的连续8个位的“显性”位时。	发送时+8	接收时+8
   8	发送端正常发送数据结束时（返回ACK且到帧结束也未检测出错误时）。	TEC>0时-1	——
   9	接收端正常接收数据结束时（到CRC未检测出错误且正常返回ACK时）。	——	1≤REC≤127时-1，REC=0时不变，REC>127时设置REC=127
   10	处于“总线关闭”状态的设备，检测到128次连续11个位的“隐性”位。	TEC=0	REC=0

5. 状态的跳转条件：

五、常见标准的对比