CAN协议深度解析-简单易懂协议详解[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

CAN-bus通信帧共分为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔五种类型。

1. 显形隐形电平

CAN-bus发布了ISO11898和ISO11519两个通信标准，此两个标准中差分电平的特性不相同。

显性电平：总线上只要有1个节点驱动为显性，则总线表现为显性位电平，逻辑解析为“0”。

隐形电平：只有总线上的各节点都不将总线驱动成显性电平，总线才表现为隐形位对应的电平，逻辑解析为“1”。

位填充：位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续 5 位时，则添加一个位的反型数据。

2. 数据帧

数据帧结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）。

2.1帧起始、帧结束

帧起始和帧结束用于界定一个数据帧，无论是标准数据帧或扩展数据帧都包含这两个段。

2.2仲裁段

CAN-bus是如何解决多个节点同时发送数据，即总线竞争问题？该问题由仲裁段给出答案。

CAN-bus并没有规定节点的优先级，但通过仲裁段帧ID规定了数据帧的优先级。根据CAN2.0标准版本不同，帧ID分为11位和29位两种。帧ID值越小，优先级越高。

2.3 控制段

控制段共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。

2.4 数据段

一个数据帧传输的数据量为0～8个字节,这种短帧结构使得CAN-bus实时性很高，非常适合汽车和工控应用场合。

与其他总线协议相比，CAN-bus的短帧结构具有以下优势：

优势1：数据量小，发送和接收时间短，实时性高。

优势2：数据量小，被干扰的概率小，抗干扰能力强。

2.5 CRC段

CAN-bus使用CRC校验进行数据检错，CRC校验值存放于CRC段。CRC校验段由15位CRC值和1位CRC界定符构成。

//算法1
U16 Can_FD_Analyzer::ComputeCrc15(std::vector<BitState> &bits, U32 num_bits)
{ 
   
    //X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + X0.
    U16 crc_result = 0;
    for (U32 i = 0; i < num_bits; i++) { 
   
        BitState next_bit = bits[i];

        //Exclusive or
        if ((crc_result & 0x4000) != 0) { 
   
            next_bit = Invert(next_bit);    //if the msb of crc_result is zero, then next_bit is not inverted; otherwise, it is.
        }
        crc_result <<= 1;

        if (next_bit == mSettings->Recessive()) { 
    //normally bit high.
            crc_result ^= 0x4599;
        }
    }

    return crc_result & 0x7FFF;
}

//算法2
U16 Can_FD_Analyzer::MakeCRC15(std::vector<BitState> &bits, U32 num_bits)
{ 
   
    //X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + X0.
    U16 CRC[15] = { 
    0 };
    for (U32 i = 0; i < num_bits; i++) { 
   
        U32 DoInvert = (bits[i] == mSettings->Recessive()) ^ CRC[14]; //XOR required?
        CRC[14] = (CRC[13] ^ DoInvert); //14
        CRC[13] = CRC[12];
        CRC[12] = CRC[11];
        CRC[11] = CRC[10];
        CRC[10] = (CRC[9] ^ DoInvert); //10
        CRC[9] = CRC[8];
        CRC[8] = (CRC[7] ^ DoInvert); //8
        CRC[7] = (CRC[6] ^ DoInvert); //7
        CRC[6] = CRC[5];
        CRC[5] = CRC[4];
        CRC[4] = (CRC[3] ^ DoInvert); //4
        CRC[3] = (CRC[2] ^ DoInvert); //3
        CRC[2] = CRC[1];
        CRC[1] = CRC[0];
        CRC[0] = DoInvert;
    }

    U16 result = 0; // CRC Result
    for (U32 i = 0; i < 15; i++) { 
   
        result = result | (CRC[i] << i);
    }
    return (U16)result;
}

2.6 ACK段

当一个接收节点接收的帧起始到CRC段之间的内容没发生错误时，它将在ACK段发送一个显性电平。

3. 远程帧

与数据帧相比，远程帧结构上无数据段，由6个段组成，同理分为标准格式和扩展格式，且RTR位为1（隐形电平）。

v 数据帧与远程帧的区别

4. 错误帧

4.1 CAN-bus 错误类型

尽管CAN-bus是可靠性很高的总线，但依然可能出现错误；CAN-bus的错误类型共有5种。

当出现5种错误类型之一时，发送或接收节点将发送错误帧。错误帧的结构如下，其中错误标识分为主动错误标识和被动错误标识。

为防止自身由于某些原因导致无法正常接收的节点一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN-bus规定了节点的3种状态机器行为。

5. 过载帧

当某些接收节点没有做好接收下一帧数据的准备时，将发送过载帧以通知发送节点；过载帧由过载标志和过载帧界定符组成。过载帧结构如下：

由于存在多个节点同时过载且过载帧发送有时间差问题，可能出现过载标志叠加后超过6个位的现象。

6. 帧间隔

帧间隔用于将数据帧或远程帧和他们之前的帧分离开，但过载帧和错误帧前面不会插入帧间隔。

7. CAN-bus整个链路层处理数据流程
   

8.波形实例

本实例使用 Kingst LA5016 usb 逻辑分析仪检测CAN数据通讯。下图2是一个完整的数据包分析截图。从图中可以看到，LA5016的CAN解析模块，将协议数据分析为 ID（协议id号），RTR（远程帧/数据帧标识）, DLC（数据长度），Data（传输数据）， CRC， ACK/NAK 。

图1数据包的ID号为0x002， RTR：false（数据帧）， DLC:0x8（8个数据），Data：数据，CRC为0x3845（15位）， ACK：应答。

圆形白点：逻辑数据。

方形白点：填充位。

图1 CAN解析参数设置
图2 CAN标准帧

图3 仲裁域

图4 CRC域及ACK

另外，CAN解析参数显示的格式可以分为：二进制，十进制，十六进制，ASCII，及 ASCII&十六进制。同时可以将协议数据按包格式导出。