先看看工作原理

當 CAN 總線上的一個節點（站）發送數據時，它以報文的形式廣播給網絡中所有節點，對每個節點來說，無論數據是否是發給自己的，都對其接收。

每組報文開頭的 11 位字符為標識符，定義了報文的優先級，這種報文格式成為面向內容的編制方案。同一系統中標識符是唯一的，不可能有兩個站發送具有相同標識符的報文，當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

大體的工作原理我們搞清了，但是根本的協議我們還要花一番功夫。下面介紹一個重要的名詞，“顯性”和“隱性”：

在我看到的很多文章里，有很多顯性和隱性的地方，為此我頭痛不已，最終我把它們徹底弄明白了。

首先 CAN 數據總線有兩條導線，一條是黃色的，一條是綠色的 ------ 分別是 CAN_High 線和 CAN_Low 線，當靜止狀態時，這兩條導線上的電平一樣，這個電平稱為靜電平，大約為 2.5 伏。

這個靜電平狀態就是隱形狀態，也稱隱性電平，也就是沒有任何干擾的時候的狀態稱為隱性狀態。當有信號修改時，CAN_High 線上的電壓值變高了，一般來說會升高至少 1V；而 CAN_Low 線上的電壓值會降低一個同樣值，也是 1v。

那么這時候，CAN_High 就是 2.5v+1v=3.5v，它就處于激活狀態了。而 CAN_Low 降為 2.5v-1v=1.5v。可以看看這個圖

由此我們得到

在隱性狀態下，CAN_High 線與 CAN_Low 沒有電壓差，這樣我們看到沒有任何變化也就檢測不到信號。但是在顯性狀態時，改值最低為 2V，我們就可以利用這種變化才傳輸數據了。所以出現了那些幀，那些幀中的場，那些場中的位，云云。

在總線上通常邏輯 1 表示隱性。而 0 表示顯性。這些 1 啊，0 啊，就可以利用起來為我們傳數據了。利用這種電壓差，我們可以接收信號。

一般來說，控制單元通過收發器連接到 CAN 驅動總線上，這個收發器（顧名思義，可發送，可接收）內有一個接收器，該接收器是安裝在接收一側的差動信號放大器。然后，這個放大器很自然地就放大了 CAN_High 和 CAN_Low 線的電平差，然后傳到接收區。如下圖

由上圖可知，當有電壓差，差動信號放大器放大傳輸，將相應的數據位轉化為 0。

下面我們進入重點難點 ----- 報文

所謂報文，就是 CAN 總線上要傳輸的數據報，為了安全，我們要給我們傳輸的數據報編碼定一下協議，這樣才能不容易出錯，所以出現了很多的幀，以及仲裁啊，CRC 效驗。這些都是難點。

識別符的概念

識別符顧名思義，就是為了區分不同報文的可以鑒別的好多字符位。有標準的，和擴展的。標準的是 11 位，擴展的是 29 位。他有一個功能就是可以提供優先級，也就是決定哪個報文優先被傳輸，報文標識符的值越小，報文具有越高的優先權。

CAN 的報文格式有兩種，不同之處其實就是識別符長度不同，具有 11 位識別符的幀稱為標準幀，而還有 29 位識別符的幀為擴展幀，CAN 報文有以下 4 個不同的幀類型。分別是：

（1） 數據幀：數據幀將數據從發送器傳輸到接收器；

（2） 遠程幀：總線節點發出遠程幀，請求發送具有同一標識符的數據幀；

（3） 錯誤幀：任何節點檢測到總線錯誤就發出錯誤幀；

（4） 過載幀：過載幀用已在先行的后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。

我們先研究數據幀吧。

一，數據幀由 7 個不同位場組成（幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC 場、應答場、幀結尾）。

這里的位場，就是不同位的組合，這名字起的很爛，讓人看了感覺很抽象。我們來看看這些個不同的位場吧。一開始是一位幀起始，也叫 SOF。它用顯性位表示，也就是 0；它告訴我們，兩個線上有電壓差了，也就是有數據了。

這個幀起始看起來只有一位，其實不簡單了。為了讓所有的分站都同步于發送報文的發送站，好接收數據，有很多要考慮的地方。

報文的數據幀結構

然后下一個場是仲裁場。這個仲裁很抽象，其實在這里就是為了解決一個問題。如果 2 個或 2 個以上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突，那么仲裁機制就是用來根據標識符優先級來一個一個的去掉低級別的數據。我們可以詳細的描述這場生動的爭搶總線的戰斗。

當總線處于空閑狀態時呈隱性電平，此時任何節點都可以向總線發送顯性電平作為幀的開始。2 個或 2 個以上的節點同時發送開始爭搶總線，但是總線只能被一個人搶走。這時候到底怎么決定誰留下，誰滾蛋呢。我們開始思索，我們以前定義了標識符，標識符有優先級，它越小，它優先級越高。那么怎么實現的呢。看下面圖：

首先搞明白兩點，

一、下圖中， 低波形代表 0（顯性），高波形代表 1（隱性）；

二、當隱性碰到顯性，就變為顯性。

如圖所示，節點 A 和節點 B 的標識符的第 10、9、8 位電平相同，因此兩個節點偵聽到的信息和它們發出的信息相同。第 7 位節點 B 發出一個“1”，但從節點上接收到的消息卻是“0”。

為什么呢，因為 A 節點同時發出顯性位，讓總線也變成

顯性了，也就是 0。節點 B 會退出發送處于單純監聽方式而不發送數據；節點 A 成功發送仲裁位從而獲得總線的控制權，繼而發送全部消息。

總線中的信號持續跟蹤最后獲得總線控制權發出的報文，本例中節點 A 的報文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在于，在網絡最終確定哪個節點被傳送前，報文的起始部分已經在網絡中傳輸了，因此具有高優先級的節點的數據傳輸沒有任何延時。

在獲得總線控制權的節點發送數據過程中，其他節點成為報文的接收節點，并且不會在總線再次空閑之前發送報文，在這逐位的比較中，最終節點 B 因為第七位的偏差丟掉了總線。從此單純監聽，江山就拱手讓給了節點 A 了。這就是仲裁機制。

上面我們說過，報文有兩種格式，標準和擴展。這里，不同的格式仲裁場是不一樣的。標準格式下，仲裁場由 11 位識別符和 RTR 位組成。

但在擴展格式里，包括 29 位識別符、SRR 位、IDE 位、RTR 位。

RTR 位，Remote Tranmission Request BIT 全稱為遠程發送請求位。它在數據幀里必須為顯性 0 ，但在遠程幀里為隱性 1。

我暈，為什么這么搞呢，不急，先留著這個問題。

SRR 位，替代遠程請求位，SRR 是一隱性位，也就是 1，它在擴展格式的標準幀 RTR 位位置，那么標準幀怪不得優先于擴展幀了，因為在傳輸完 11 位標識符之后（擴展幀的后 18 位在最后發送，先發送 11 位標識符），輪到標準幀的 RTR 位和擴展幀的 SRR 位了。

這時候，標準幀的 RTR 為顯性，而擴展幀 SRR 為隱性，這樣，總線自然就被標準幀占據。

同時上面那個問題，也一目了然了，CAN 總線協議設計者，肯定是設計了數據幀優先于遠程幀。所以 IDE(Identifier Extension Bit)，全稱識別符擴展位，它屬于擴展格式的仲裁場。

對于擴展格式，IDE 位屬于仲裁場；對于標準格式，IDE 位屬于控制場。標準格式的 IDE 位為“顯性”，而擴展格式的 IDE 位為“隱性”。

標準格式中的數據幀

拓展格式中的數據幀

控制場

控制場由 6 個位組成，標準格式和擴展格式的控制場格式不同。標準格式里的幀包括數據長度代碼、IDE 位（為顯性位）及保留位 r0。擴展格式里的幀包括數據長度代碼和兩個保留位：r1 和 r0。其保留位必須發送為顯性，但是接收器認可“顯性”和“隱性”位的任何組合。其結構如圖所示：

控制場結構

數據長度代碼（標準格式以及擴展格式）DLC，如下表所示

數據幀長度代碼 DLC

數據長度代碼指示了數據場里的字節數量。其中：d—“顯性”， r—“隱性”，數據幀允許的數據字節數為{0，1，...，7，8}。其他的數值不允許使用。

數據場

數據場由數據幀里的發送數據組成。它可以為 0~8 個字節，每字節包含了 8 個位，首先發送最高有效位（MSB）。

循環冗余碼 CRC 場是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。

CRC 場包括 CRC 序列（CRC Sequence），其后是 CRC 界定符（CRC Delimiter），結構如圖：

生成 CRC 碼的基本原理：

任意一個由二進制位串組成的代碼都可以和一個系數僅為‘0’和‘1’取值的多項式一一對應。例如：代碼 1010111 對應的多項式為 x6+x4+x2+x+1，而多項式為 x5+x3+x2+x+1 對應的代碼 101111。

參考一下下面的例題，自已再領悟一下吧！已知信息位為 1101，生成多項式 G(x)= x3+x+1，求 CRC 碼。

要傳輸的信息序列為 1101，在末尾添加所給多項式的最高次階個 0，如本題為 x^3，則添加 3 個 0,變為：1101000；

由多項式 G(X)=X3+X+1，得其階數為 1 的二進制編碼為：1011；1101000 對 1011 進行模二除法，所得到的余數即為校驗碼，把校驗碼添加在原數據尾部即為所求的編碼,則實際發送的數據序列為 1101001。校驗碼計算過程如圖所示：

模二除法

應答場（ACK Field）

應答場長度為 2 個位，包含應答間隙（ACK Slot）和應答界定符（ACK Delimiter），如圖所示。在 ACK 場（應答場）里，發送節點發送兩個“隱性”位。

當接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應答間隙（ACK Slot）期間向發送器發送一“顯性”位以示應答。

幀結尾

每一個數據幀和遠程幀均由一標志序列界定。這個標志序列由 7 個“隱性”位組成。

二、遠程幀

通過發送遠程幀，總線的節點發出遠程幀，請求以前發送給它數據幀的節點再發送一遍。具體發送哪個數據幀，由遠程幀的標識符決定。

與數據幀類似，遠程幀也有標準格式和擴展格式，而且都由 6 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC 場、應答場、幀結尾。

與數據幀相反，遠程幀的 RTR 位是“隱性”的。它沒有數據場，數據長度代碼 DLC 的數值是不受制約的（可以標注為容許范圍０~8 里的任何數值），此數值是相應于數據幀的數據長度代碼。遠程幀結構如圖所示：

遠程幀結構

三、錯誤幀

錯誤幀由兩個不同的場組成，第一個場是不同節點提供的錯誤標志（Error Flag）的疊加，第二個場是錯誤界定符。

為了能正確地終止錯誤幀，“錯誤認可”的節點要求總線至少有長度為 3 個位時間的總線空閑。因此，總線的載荷不應為 100%。錯誤幀結構如圖：

錯誤幀結構（圖中統一起見出錯幀改為錯誤幀）

(1) 錯誤標志，有兩種形式的錯誤標志：激活錯誤標志 和 認可錯誤標志

“激活錯誤”標志由 6 個連續的“顯性”位組成；“認可錯誤”標志由 6 個連續的“隱性”的位組成，除非被其他節點的“顯性”位重寫。

(2) 錯誤界定符，錯誤界定符包括 8 個“隱性”的位。

錯誤標志傳送了以后，每一個節點就發送一個“隱性”的位，并一直監視總線直到檢測出一個“隱性”的位為止，然后就開始發送其余 7 個“隱性”位。

四、過載幀

過載幀（Overload Frame）包括兩個位場：過載標志 和 過載界定符，其結構如圖：

過載幀結構圖

有三種過載的情況會引發過載標志的傳送：接收器的內部情況，需要延遲下一個數據幀和遠程幀。

在間歇（Intermission）的第 1 和第 2 字節檢測到一個“顯性”位。這里有個間歇的概念。我們可以講講。間歇屬于幀間空間的一部分。它包含三個隱性位。間歇期間，所有的站不允許傳送數據幀或遠程幀。它唯一要做的就是標示一個過載條件。

如果 CAN 節點在錯誤界定符或過載界定符的第 8 位（最后一位）采樣到一個顯性位，節點會發送一個過載幀。該幀不是錯誤幀，錯誤計數器不會增加。

（1）過載標志（Overload Flag）

過載標志由 6 個“顯性”的位組成。過載標志的所有形式和“激活錯誤”標志的一樣。

（2）過載界定符（Overload Delimiter）

過載界定符包括 8 個“隱性”的位。

五、幀間空間

數據幀（或遠程幀）與先行幀的隔離是通過幀間空間實現的，無論此先行幀類型如何（數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀）。

幀間空間包括間歇、總線空閑的位場。如果“錯誤認可”的節點已作為前一報文的發送器，則其幀間空間除了間歇、總線空閑外，還包括稱作“掛起傳送”（暫停發送）（Suspend Transmission）的位場。

對于不是“錯誤認可”的節點，或作為前一報文的接收器的節點，其幀間空間如圖：

非 “錯誤認可”幀間空間

對于作為前一報文發送器的“錯誤認可”的節點，其幀間空間如圖：

“錯誤激活”幀間空間

（1）總線空閑（Bus Idle）
總線空閑的時間是任意的。只要總線被認定為空閑，任何等待發送報文的節點就會訪問總線。在發送其他報文期間，有報文被掛起，對于這樣的報文，其傳送起始于間歇之后的第一個位。總線上檢測到的“顯性”的位可被解釋為幀的起始。

（2）掛起傳送（Suspend Transmission）
“錯誤認可”的節點發送報文后，節點就在下一報文開始傳送之前或總線空閑之前發出 8 個“隱性”的位跟隨在間歇的后面。如果與此同時另一節點開始發送報文（由另一節點引起），則此節點就作為這個報文的接收器。

最后用腦圖總結：

再來幾張實物圖：

CAN 總線接收芯片

CAN 總線控制器芯片

標準數據幀波形捕獲

擴展數據幀波形捕獲