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CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議是由?BOSCH?發(fā)明的一種基于消息廣播模式的串行通信總線，它起初用于實現(xiàn)汽車內(nèi)ECU之間可靠的通信，后因其簡單實用可靠等特點，而廣泛應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療等其它領(lǐng)域。相比于其它網(wǎng)絡(luò)類型，如局域網(wǎng)（LAN, Local Area Network）、廣域網(wǎng)（WAN, Wide?Area Network）和個人網(wǎng)（PAN, Personal?Area Network）等，CAN?更加適合應用于現(xiàn)場控制領(lǐng)域，因此得名。
CAN總線是一種多主控（Multi-Master）的總線系統(tǒng)，它不同于USB或以太網(wǎng)等傳統(tǒng)總線系統(tǒng)是在總線控制器的協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)A節(jié)點到B節(jié)點大量數(shù)據(jù)的傳輸，CAN網(wǎng)絡(luò)的消息是廣播式的，亦即在同一時刻網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點偵測的數(shù)據(jù)是一致的，因此比較適合傳輸諸如控制、溫度、轉(zhuǎn)速等短消息。
CAN起初由BOSCH提出，后經(jīng)ISO組織確認為國際標準，根據(jù)特性差異又分不同子標準。CAN國際標準只涉及到OSI（開放式通信系統(tǒng)參考模型 ）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。上層協(xié)議是在CAN標準基礎(chǔ)上定義的應用層，市場上有不同的應用層標準。
1983年，BOSCH開始著手開發(fā)CAN總線；
1986年，在SAE會議上，CAN總線正式發(fā)布；
1987年，Intel和Philips推出第一款CAN控制器芯片；
1991年，奔馳 500E 是世界上第一款基于CAN總線系統(tǒng)的量產(chǎn)車型；
1991年，Bosch發(fā)布CAN 2.0標準，分CAN 2.0A（11位標識符，標準幀）和CAN 2.0B（29位標識符，擴展幀）；
1993年，ISO發(fā)布CAN總線標準（ISO 11898），隨后該標準主要有三部分：
ISO 11898-1：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議
ISO 11898-2：高速CAN總線物理層協(xié)議
ISO 11898-3：低速CAN總線物理層協(xié)議
注意：ISO 11898-2和ISO 11898-3物理層協(xié)議不屬于 BOSCH CAN 2.0標準。
2012年，BOSCH發(fā)布?CAN FD 1.0?標準（CAN with Flexible Data-Rate），CAN FD定義了在仲裁后確使用不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，從而達到最高12Mbps?數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN FD與CAN 2.0協(xié)議兼容，可以與傳統(tǒng)的CAN 2.0設(shè)備共存于同樣的網(wǎng)絡(luò)
CAN標準分為底層標準（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和上層標準（應用層）兩大類。CAN底層標準主要是?ISO 11898?系列的國際標準，也就是說不同廠商在CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層定義基本相同；而上層標準，涉及到例如流控制、設(shè)備尋址和大數(shù)據(jù)塊傳輸控制等，不同應用領(lǐng)域或制造商會有不同的做法，沒有統(tǒng)一的國際標準。
CAN底層標準涵蓋OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，底層標準包括：
ISO 11898-1: 2015定義CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）和電氣信號標準，描述CAN總線的基本架構(gòu)，定義不同CAN總線設(shè)備在數(shù)據(jù)鏈路層通信方式，詳細說明邏輯鏈接控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）子層部分；
ISO 11898-2: 2003定義高速CAN總線（HS-CAN）物理層標準，最高數(shù)據(jù)傳輸速率1Mbps，應用為兩線平衡式信號（CAN_H, CAN_L），HS CAN是汽車動力和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中應用最為廣泛的物理層協(xié)議；
ISO 11898-3: 2006定義低速CAN總線（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理層標準，數(shù)據(jù)傳輸速率在?40Kbps ~ 125Kbps。Fault-Tolerant是指總線上一根傳輸信號失效時，依靠另外的單根信號也可以通信，LS CAN主要應用于汽車車身電控單元之間通信；
ISO 11898-4: 2004定義CAN總線中的時間觸發(fā)機制（Time-Triggered CAN,TTCAN），定義與ISO 11898-1 配合的幀同步實體，實現(xiàn)汽車ECU之間基于時間觸發(fā)的通信方式。注意，ISO 11898-1 是基于事件驅(qū)動（Event-Driven）的通信，它對于高負荷總線上，尤其是低優(yōu)先級的消息會造成較大的延遲，而基于時間觸發(fā)的ISO 11898-4 標準的初衷也正是為解決該問題，確保CAN總線上可靠的消息傳輸；
ISO 11898-5: 2007對ISO 11898-2高速CAN總線的補充，并參照ISO 8802-2，定義在總線閑置時的節(jié)電特性；
ISO 11898-6: 2013對ISO 11898-2 和 ISO 11898-5 的補充，并參照ISO 8802-2，定義使用可配置的幀實現(xiàn)選擇性喚醒總線的機制；
ISO 16845-1: 2004定義測試符合ISO 11898-1標準CAN應用的方法和條件；
ISO 16845-2: 2014定義包括特定功能下可以選擇性喚醒總線的CAN收發(fā)器的測試實例和測試要求，也稱為CAN總線的一致性測試
CAN總線底層標準與ISO/OSI模型的對應關(guān)系，如圖1所示。對于媒體專用接口（Medium Dependent Interface,MDI），沒有統(tǒng)一的國際標準。CiA DS-102（CiA: CAN in Automation ）僅定義使用專用連接器（DB9），并對PIN定義作出一定規(guī)范。
圖1. CAN總線標準
雖然底層標準相同，不同應用領(lǐng)域和組織會制定不同的上層標準。有的廠商開發(fā)并推廣其應用層標準，在某些領(lǐng)域得以廣泛應用。對于汽車行業(yè)來說，幾乎每家廠商都有自己的CAN上層標準。比較流行的有工業(yè)自動化領(lǐng)域?CiA?的CANopen，Rockwell?的DeviceNet；嵌入式控制領(lǐng)域?Kvaser?的CAN Kingdom；智能設(shè)備控制?Honeywell?的SDS；汽車診斷?ISO 14229?定義的UDS，和中重型汽車CAN總線標準SAE J1939?。如表1示。
表1. CAN上層標準舉例
符合OSI開放式通信系統(tǒng)參考模型；
兩線式總線結(jié)構(gòu)，電氣信號為差分式；
多主控制，在總線空閑時，所有的單元都可開始發(fā)送消息，最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)；多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級 ID 消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)；
消息報文不包含源地址或者目標地址，僅通過標識符表明消息功能和優(yōu)先級；
基于固定消息格式的廣播式總線系統(tǒng)，短幀結(jié)構(gòu)；
事件觸發(fā)型，只有當有消息要發(fā)送時，節(jié)點才向總線上廣播消息；
可以通過發(fā)送遠程幀請求其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；
消息數(shù)據(jù)長度 0~8 Byte；
錯誤檢測功能，所有節(jié)點均可檢測錯誤，檢測處錯誤的單元會立即通知其它所有單元；
發(fā)送消息出錯后，節(jié)點會自動重發(fā)；
故障限制，節(jié)點控制器可以判斷錯誤是暫時的數(shù)據(jù)錯誤還是持續(xù)性錯誤，當總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，控制器可將節(jié)點從總線上隔離；
通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導纖維，一般使用最便宜的雙絞線；
理論上，CAN總線用單根信號線就可以通信，但還是配備了第二根導線，第二根導線與第一根導線信號為差分關(guān)系，可以有效抑制電磁干擾；
在40米線纜條件下，最高數(shù)據(jù)傳輸速率 1Mbps；
總線上可同時連接多個節(jié)點，可連接節(jié)點總數(shù)理論上是沒有限制的，但實際可連接節(jié)點數(shù)受總線上時間延遲及電氣負載的限制；
未定義標準連接器，但經(jīng)常用9腳 DSUB
在當今汽車應用領(lǐng)域，車內(nèi)電控單元（Electrical Control Unit,?ECU）可能多達70?個(我們車好像180個)，除了引擎控制單元（Engine Control Unit,?ECU?）外，還存在傳動控制、安全氣囊、ABS、巡航控制、EPS、音響系統(tǒng)、門窗控制和電池管理等模塊，雖然某些模塊是單一的子系統(tǒng)，但是模塊之間的互連依然非常重要。例如，有的子系統(tǒng)需要控制執(zhí)行器和接收傳感器反饋，CAN總線可以滿足這些子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。汽車?nèi)子模塊的總線互連架構(gòu)使得軟件可以更輕易地實現(xiàn)安全、經(jīng)濟和便利等新特性，相比傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中模塊單元直接連接更加經(jīng)濟。 CAN總線實現(xiàn)汽車內(nèi)互連系統(tǒng)由傳統(tǒng)的點對點互連向總線式系統(tǒng)的進化，大大降低汽車內(nèi)電子系統(tǒng)布線的復雜度，如圖2所示。
背景：隨著電氣化和智能化，汽車上的電子單元越來越多，電控單元組網(wǎng)需求也日漸迫切！
福特Fusion汽車 @2013
70個ECU單元
75個傳感器
150個激勵器
自動駕駛汽車 @2030 -Prediction
120個ECU單元
100個傳感器
200個激勵器
圖2. 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) VS 總線式結(jié)構(gòu)
在VW的定義（SSP 269）中，根據(jù)應用范圍將車內(nèi)CAN總線分為三類：
Convenience CAN/舒適CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制車門窗、空調(diào)等設(shè)備，最高傳輸速度100 kbps
Powertrain CAN?/動力CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制動力相關(guān)設(shè)備，如發(fā)動機、制動、ABS等，最高傳輸速度500 kbps
Infotainment CAN/信息娛樂CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制收音機、電話和導航等設(shè)備，最高傳輸速度100 kbps
根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度不同CAN總線分兩類：高速CAN（ISO 11898-2）和低速CAN（ISO 11898-3）。
高速CAN（按BOSCH說法，也叫CAN-C），數(shù)據(jù)速率在?125kbps?~?1Mbps，應用在實時性要求高的節(jié)點，如引擎管理單元、電子傳動控制、ESP和儀表盤等；低速CAN（CAN-B），數(shù)據(jù)速率在?5kbps?~?125kbps，應用在實時性要求低的節(jié)點，主要在舒適和娛樂領(lǐng)域，如空調(diào)控制、座椅調(diào)節(jié)、燈光、視鏡調(diào)整等，這些節(jié)點對實時性要求不高，而且分布較為分散，線纜較易收到損壞，低速CAN的傳輸速度即可滿足要求，而且單根線纜也可以工作，很好地適應了以上需求。不同速度類型的CAN總線設(shè)備不能直接連在同一路總線上，它們之間需要通過網(wǎng)關(guān)隔離。
CAN總線在汽車診斷領(lǐng)域的應用也非常廣泛，ECU直接掛載在總線上，可以很快地獲取診斷所需的信息。傳統(tǒng)的汽車診斷接口（如KWP2000）應用逐漸減少。
圖2a示意了汽車內(nèi)總線系統(tǒng)及電子設(shè)備的邏輯分布，總線系統(tǒng)包括 CAN、LIN、FlexRay 和 MOST 。注意，車載以太網(wǎng)在圖中未列出，但它的應用日漸廣泛。以上不同類型和速度的總線，通過網(wǎng)關(guān)?Gateway?模塊相互通信。（圖片來源：鏈接）
圖2a. 汽車內(nèi)總線系統(tǒng)舉例
由于CAN總線仲裁的特點，即使往總線上周期性發(fā)送消息，也不能保證節(jié)點可以確定（周期） 地收到消息，CAN不適合對時間特別敏感的應用；
最高傳輸速率只有1Mbps?，對于汽車自動駕駛應用的數(shù)據(jù)傳輸，或者視頻音頻傳輸帶寬不足。為解決這方面的需求，CAN FD速度有所上升，另外還有MOST、LVDS?和以太網(wǎng)等；
對于簡單的應用，高成本的CAN總線雖然可靠性很高，但有點浪費。LIN?總線相比CAN具有成本優(yōu)勢，更適合應用于車窗座椅空調(diào)等設(shè)備
連接在CAN總線上的設(shè)備叫做節(jié)點設(shè)備（CAN Node），CAN網(wǎng)絡(luò)的拓撲一般為線型。線束最常用為非屏蔽雙絞線（UTP），線上傳輸為對稱的電平信號（差分）。圖3示為CAN總線網(wǎng)絡(luò)示意圖，節(jié)點主要包括Host、控制器和收發(fā)器三部分。Host常集成有CAN控制器(現(xiàn)在的MCU一般都會搭載CAN控制器，特別是車載的MCU)，CAN控制器負責處理協(xié)議相關(guān)功能，以減輕Host的負擔。CAN收發(fā)器將控制器連接到傳輸媒介。通?？刂破骱涂偩€收發(fā)器通過光耦或磁耦隔離，這樣即使總線上過壓，損壞收發(fā)器，控制器和Host設(shè)備也可以得到保護。
圖3. CAN總線節(jié)點示意圖
高速CAN總線最高信號傳輸速率為1Mbps，支持最長距離?40m。ISO 11898-2?規(guī)定要求在高速CAN總線的兩端安裝端接電阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有?125Kbps，因此?ISO?11898-3?沒有要求端接。ISO 11898 規(guī)定的CAN總線上最多?32?個節(jié)點。實際應用中要考慮到CAN總線收發(fā)器的性能，以及工作的CAN網(wǎng)絡(luò)是高速CAN還是低速CAN。在傳輸距離方面，由于距離越大，信號時延也越大，為確保消息的正確采樣，總線上的信號速率相應也得下降，表2列出推薦的信號速率與距離的關(guān)系。
表2. CAN總線長度與信號速率關(guān)系（推薦）
CAN收發(fā)器包括?CANH?和?CANL?兩根信號，CANH和CANL信號采用差分電平，這樣可以取得更好的電磁兼容效果。CAN總線物理傳輸媒介只需要兩根線。
前面的標準部分有介紹，CAN總線分高速CAN和低速CAN，收發(fā)器因之也分為高速CAN收發(fā)器（1Mbps）和低速CAN收發(fā)器（125Kbps）。低速CAN也叫?Fault Tolerant CAN?，指的是即使總線上一根線失效，總線依然可以通信。圖4示例高速CAN收發(fā)器的基本電路結(jié)構(gòu)。當兩個晶體管都關(guān)斷時，CANH和CANL上電壓相同，且都為?0.5*VCC?；而當兩個晶體管都打開時，CANH 和 CANL 上即存在一定的壓差，且壓差與負載電阻值相關(guān)。ISO 11898-2?要求此時 CANH 和 CANL 壓差在?2V?左右。
CAN收發(fā)器的特性包括非常低的電磁輻射和很強的抗擊共模噪聲的能力。另外，CAN收發(fā)器可以提供高達?8KV?的ESD保護，在電路設(shè)計中可以在收發(fā)器附近增加共模電感以進一步降低電磁輻射（圖5）。
圖4. CAN總線收發(fā)器（MCP2551）
圖5. 共模電感降低輻射
高速CAN和低速CAN總線在物理層信號電平上定義有所不同(還有這樣的區(qū)別？)。圖6和圖7表示高速和低速CAN總線上信號電平與總線邏輯的對應關(guān)系。
高速CAN，定義 CANH 和 CANL?電壓相同（CANH = CANL =?2.5V）時為邏輯“1”，CANH和CANL?電壓相差?2V（CANH =?3.5V, CANL =?1.5V）?時為邏輯“0”。高速CAN收發(fā)器在共模電壓范圍內(nèi)（-12V ~ 12V），將CANH和CANL電壓相差大于?0.9V?解釋為顯性狀態(tài)（Dominant），而將CANH和CANL電壓相差小于?0.5V?解釋為為隱性狀態(tài)（Recessive）。收發(fā)器內(nèi)部有遲滯電路可以降低干擾。
低速CAN，定義CANH和CANL電壓相差?5V?（CANH =?0V, CANL =?5V）時為邏輯“1”，相差?2.2V?（CANH =?3.6V, CANL =?1.4V）時為邏輯“0”。
在CAN總線上，邏輯“0”和“1”之間顯著的電壓差是總線可靠通信的保證。參照上面的描述，CAN總線上兩種電平狀態(tài)分別為：
顯性（Dominant ）: 0
隱性（Recessive ）: 1
CAN總線的信號電平具有線與特性，即顯性電平（0）總是會掩蓋隱性電平（1）。如果不同節(jié)點同時發(fā)送顯性和隱性電平，總線上表現(xiàn)出顯性電平（0），只有在總線上所有節(jié)點發(fā)送的都是隱性電平（1）時，總線才表現(xiàn)為隱性。線與特性是CAN總線仲裁的電路基礎(chǔ)。詳細仲裁過程見下文“仲裁機制”部分。
圖6.?高速CAN信號電平（ ISO 11898-2）
圖7.?低速CAN信號電平（ ISO 11898-3）
在前文有提到，業(yè)界只規(guī)定了9 Pin D-Sub?類型的CAN總線連接器，其信號定義如圖8所示。
圖8. CAN 9 Pin D-Sub引腳定義
除了上文介紹的高速CAN和低速CAN外，還有標準定義另外一種CAN物理層結(jié)構(gòu)，即?Single Wire CAN。單線CAN可以減少一根傳輸線，但是要求節(jié)點間有良好的共地特性（相當于第二根信號線）。單線CAN的信號抗干擾能力相對較弱，在設(shè)計中需要提高信號幅度以增加信噪比，如此又會讓它自身的輻射能力增加，因此必須降低其信號傳輸速率以達到電磁兼容的要求。綜上，單線CAN僅適合應用在低速的車身電子單元、舒適及娛樂控制領(lǐng)域。低速CAN總線由于信號速度不高，在一根信號線失靈的情況下，仍可工作于單線模式。
三種CAN總線物理層的對比如表3列出?？偩€連接拓撲圖如圖9，對于端接，高速CAN端接是在總線兩端，而低速CAN和單線CAN的端接都是在各節(jié)點位置。
表3. 三種CAN物理層標準比較
圖9. 三種CAN總線物理層的比較
安全敏感的應用，比如汽車動力，對通信系統(tǒng)的可靠性要求很高。將總線工作正常與否歸結(jié)到單一節(jié)點是極其危險的，比較合理的方案是對總線接入的去中心化，亦即每個節(jié)點都有接入總線的能力。這也是CAN總線采用多主控（Multi-Master）線性拓撲結(jié)構(gòu)的原因。在CAN總線上，每個節(jié)點都有往總線上發(fā)送消息的能力，而且消息的發(fā)送不必遵從任何預先設(shè)定的時序，通信是事件驅(qū)動的。只有當有新的信息傳遞時，CAN總線才處于忙的狀態(tài)，這使得節(jié)點接入總線速度非?？?。CAN總線理論最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，對于異步事件反應迅速，基本上對于毫秒級的實時應用沒有任何問題。
不同于其它類型的總線，CAN總線不設(shè)定節(jié)點的地址，而是通過消息的標識符（Identifier）來區(qū)別消息。CAN總線消息是廣播式的，也就是說在同一時刻所有節(jié)點都檢測到同樣的電平信號。接受節(jié)點通過識別消息中的標識符，與該節(jié)點預設(shè)的過濾規(guī)則對比，如果滿足規(guī)則就接收這條消息，發(fā)送應答，否則就忽略這條消息，關(guān)于這部分介紹見下文“條件接收”部分。這種機制雖然會增加消息幀的復雜度（增加標識符），但是節(jié)點在此情況下可以無須了解其它節(jié)點的狀況，而相互間獨立工作，在總線上增加節(jié)點時僅須關(guān)注消息類型，而非系統(tǒng)上其它節(jié)點的狀況。這種以消息標識符尋址的方式，讓在總線上增加節(jié)點變得更加靈活。
CAN總線通信原理可簡單描述為多路載波偵聽+基于消息優(yōu)先級的沖突檢測和仲裁機制（CSMA/CD+AMP），CSMA（Carrier Sense Multiple Access ）指的所有節(jié)點必須都等到總線處于空閑狀態(tài)時才能往總線上發(fā)送消息；CD+AMP（Collision Detection + Arbitration on Message Priority）指的是如果多個節(jié)點往總線上發(fā)送消息時，具備最高優(yōu)先級（標識符最?。┑南@得總線占有權(quán)。
CAN總線定義四種幀類型，分別為數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀就是總線上傳輸用戶數(shù)據(jù)的幀，其最高有效載荷是?8 Byte，除了有效載荷外，數(shù)據(jù)幀還包括必要的幀頭幀位部分以執(zhí)行CAN標準通信，比如消息標識符（Identifier）、數(shù)據(jù)長度代碼、校驗信息等。遠程幀是用來向總線上其它節(jié)點請求數(shù)據(jù)的幀，它的幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀相似，只不過沒有有效載荷部分；錯誤幀是表示通信出錯的幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有?11?位的標識符 ， 擴展格式有?29?位標識符。
各種幀的用途分別為：
數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀；
遠程幀：用于接收單元向具有相同標識符的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀；
錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀；
過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀
數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如圖10所示，圖中示例標準數(shù)據(jù)幀（Standard）和擴展數(shù)據(jù)幀（Extended）兩種格式。各字段定義及長度分別為：
SOF：表示數(shù)據(jù)幀開始；（1 bit）
Identifier：標準格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區(qū)段標識數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高；
RTR：遠程傳輸請求位，0時表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）
IDE：?標識符擴展位，0時表示為標準格式，1表示為擴展格式；（1 bit）
DLC：數(shù)據(jù)長度代碼，0~8表示數(shù)據(jù)長度為0~8 Byte；（4 bit）
Data?Field：數(shù)據(jù)域；（0~8 Byte）
CRC?Sequence：校驗域，校驗算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）
DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）
ACK：應答，確認數(shù)據(jù)是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發(fā)送節(jié)點將此位為1，接收節(jié)點正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為0；（1 bit）
SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）
EOF：連續(xù)7個隱性位（1）表示幀結(jié)束；（7 bit）
ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space (IFS)，連續(xù)3個隱性位，但它不屬于數(shù)據(jù)幀。幀間空間是用于將數(shù)據(jù)幀和遠程幀與前面的幀分離開來的幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。
圖10. CAN標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀/遠程幀格式
一般地，數(shù)據(jù)是由發(fā)送單元主動向總線上發(fā)送的，但也存在接收單元主動向發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的情況。遠程幀的作用就在于此，它是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)的幀。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)類似，如上圖X所示。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)區(qū)別有兩點：
數(shù)據(jù)幀的?RTR?值為“0”，遠程幀的?RTR?值為“1”
遠程幀沒有數(shù)據(jù)塊
遠程幀的?DLC?塊表示請求發(fā)送單元發(fā)送的數(shù)據(jù)長度（Byte）。當總線上具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的?RTR?位是顯性的，數(shù)據(jù)幀將在仲裁中贏得總線控制權(quán)。
用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構(gòu)成。錯誤幀的幀結(jié)構(gòu)如圖11示。
錯誤標志：6-12?個顯性/隱性重疊位
主動錯誤標志（6個顯性位）： 處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志
被動錯誤標志（6個隱性位）： 處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志
錯誤界定符：8?個隱性位
圖11. 錯誤幀的幀結(jié)構(gòu)
過載幀是用于接收單元通知發(fā)送單元它尚未完成接收準備的幀。在兩種情況下，節(jié)點會發(fā)送過載幀：
接收單元條件的制約，要求發(fā)送節(jié)點延緩下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的傳輸；
幀間空間（Intermission）的?3 bit?內(nèi)檢測到顯性位
每個節(jié)點最多連續(xù)發(fā)送兩條過載幀。過載幀由過載標志和過載界定符（8?個隱性位）構(gòu)成。數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如圖12所示。
圖12. 過載幀的幀結(jié)構(gòu)
如果多個節(jié)點同時往總線上發(fā)送消息，總線的使用權(quán)是通過消息幀標識符的逐位仲裁機制決定的，在仲裁過程中消息是不會丟失的。這里的不會丟失的意思是指仲裁完成后，獲得總線控制權(quán)的消息內(nèi)容沒有被仲裁過程篡改，將繼續(xù)在總線上發(fā)送沒有傳輸完的消息。
在CAN總線上，標識符值越小，消息的優(yōu)先級越高。標識符全零的消息，由于它將總線電平保持在顯性的時間最長，因此優(yōu)先級最高。CAN總線的仲裁機制如圖13所示，幾點說明：
Wire-AND Bus Logic：只有節(jié)點發(fā)送的全是隱性，總線電平才表現(xiàn)為隱性；
Arbitration Logic：所有發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也檢測總線上的電平狀態(tài)。如果總線電平狀態(tài)與它發(fā)送的電平狀態(tài)一致，則繼續(xù)發(fā)送（Next）；如果發(fā)送為顯性，總線電平狀態(tài)為隱性，則傳輸出現(xiàn)故障（Fault）；如果發(fā)送為隱性，總線電平狀態(tài)為顯性，則該節(jié)點退出對總線占用權(quán)的競爭（Stop）；
仲裁機制：節(jié)點A和節(jié)點C同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，在仲裁階段，逐位對比總線上電平與自身發(fā)送的電平，在標識符的第四位（ID7），節(jié)點C檢測到總線上電平與其自身發(fā)送電平不一致，它自動退出對總線的競爭，節(jié)點A則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)
圖13. CAN總線仲裁機制
如上介紹，CAN總線上的逐位仲裁機制與?I2C?總線的仲裁都應用到線與邏輯的電路基礎(chǔ)，不同的是I2C的仲裁只是在主機間進行，而CAN總線沒有主從機的概念。另外I2C的消息本身是不分優(yōu)先級的；CAN消息則是帶優(yōu)先級，有的消息出身高貴（標識符值越?。谥俨弥锌倳?。
為消息劃分優(yōu)先級比較適合于實時控制系統(tǒng)，這樣可以確保重要的信息優(yōu)先發(fā)送，相對次要的消息延遲發(fā)送，系統(tǒng)設(shè)計師應該根據(jù)應用的特點為不同消息確定不同的優(yōu)先級（標識符），在類似?DeviceNet?這些規(guī)范組織的定義中，對于同樣類型的消息，比如溫度傳感器，即使它們可能來自不同的供應商，但消息標識符是一致的。
對于車身控制CAN網(wǎng)絡(luò)（舒適+信息娛樂），其特點是消息標識符種類多，而且消息發(fā)送沒有固定頻率或規(guī)律，在此類應用的CAN控制器，例如?Freescale?的?MSCAN（Motorola Scalable Controller Area Network）的設(shè)計中，控制器內(nèi)部包括?FIFO?寄存器，它將具有相同標識符的消息按順序保存，從而避免接收緩沖器溢出。而對于動力系統(tǒng)控制的CAN網(wǎng)絡(luò)，總線上的消息特點是速度快，但是存在一定規(guī)律，此類應用的CAN控制器，例如?Freescale?的?FlexCAN（CAN 2.0B-Compliant），它包括?16 ~ 64?個稱為“mailbox”的接收緩沖器，運行時根據(jù)特定的過濾規(guī)則，將不同標識符的消息送到各自對應的?mailbox?。
前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但并不是所有節(jié)點都會對總線上所有消息感興趣。節(jié)點通過控制器中過濾碼（Filter Code?）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。
對于掩碼，“1”表示該位與本節(jié)點相關(guān)，“0”表示該位與本節(jié)點不相關(guān)。舉例如下：
例1：僅接收消息標識符為00001567（十六進制）的幀
設(shè)置過濾碼為00001567
設(shè)置掩碼為1FFFFFFF
節(jié)點檢測消息的標識符的所有位（29位），如果標識符為00001567接收，否則舍棄。
例2：接收消息標識符為00001567 到 0000156F 的幀
設(shè)置過濾碼為00001560
設(shè)置掩碼為1FFFFFF0
節(jié)點檢測消息的標識符的高25位，最低的4位則不care。如果標識符最高25位相同則接收，否則舍棄。
例3：接收消息標識符為00001560 到 00001567 的幀
設(shè)置過濾碼為00001560
設(shè)置掩碼為1FFFFFF8
節(jié)點檢測消息的標識符的高26位，最低的3位則不care。如果標識符最高26位相同則接收，否則舍棄。
例4：接收所有消息幀幀
設(shè)置過濾碼為0
設(shè)置掩碼為0
節(jié)點接收總線上所有消息。
應答位（ACK）用來表示節(jié)點已經(jīng)收到有效的幀。任何節(jié)點如果準確無誤地接收到幀，則要向總線上發(fā)送顯性位，該顯性位將掩蓋發(fā)送節(jié)點輸出的隱性位，使總線上表現(xiàn)為顯性。如果發(fā)送節(jié)點檢測應答位為隱性，那么說明沒有節(jié)點收到有效幀。接收節(jié)點可能在應答位輸出隱性表示它沒有收到有效幀，但另外有收到有效幀的節(jié)點也可能輸出顯性表示它收到有效幀，這樣總線上總體上表現(xiàn)為顯性，發(fā)送節(jié)點也無從得知是否總線上所有節(jié)點都收到有效的幀。
CAN總線使用到的是非歸零編碼（NRZ），NRZ編碼的優(yōu)點是效率高，但卻不易區(qū)分哪里是bit開始，哪里是bit結(jié)束。因此為確保在同步通信過程中有足夠的電平跳變，規(guī)范中應用到位填充機制，即在每連續(xù)?5?個相同電平后插入?1個反相電平，接收節(jié)點在收到消息后自動將填充位刪除。在幀內(nèi)除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均應用到位填充機制。在應用到位填充的域，檢測到連續(xù)?6?個顯性位或隱性位均視為報錯。檢測到錯誤后，節(jié)點將發(fā)出主動錯誤標志。注意如前文述，主動錯誤標志為連續(xù)6個顯性位，它是不符合位填充規(guī)則的，因此檢測到該電平的所有節(jié)點都會報錯。
位填充意味著實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀長度可能更長，圖14示例位填充前后的數(shù)據(jù)幀的變化，紫色位是位填充增加的位，接收節(jié)點收到消息后會自動刪除這些位。
圖14. 數(shù)據(jù)幀在位填充前后的比較
完善的錯誤校驗機制是CAN總線高可靠性的有效保證。CAN總線包括5?種錯誤校驗機制，其中?3?種在消息層面（Message Level），2?種在比特層面（Bit Level）?。如果消息出現(xiàn)五種錯誤中的任何一種，接收節(jié)點將不接收消息，并且產(chǎn)生錯誤幀通知發(fā)送節(jié)點重新發(fā)送消息，直到接收節(jié)點正確地收到消息。如果失效的節(jié)點持續(xù)不斷地報錯，導致總線掛死，那么在報錯次數(shù)達到設(shè)定的上限時，它將被控制器從總線上移除（詳見“故障限制”部分）。
消息層面的錯誤校驗機制體現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀（圖10）中的?CRC?校驗域和?ACK?域。CRC校驗域包括傳輸數(shù)據(jù)的 15 bit Checksum值和 1 bit 界定符。ACK域包括 1 bit ACK位和 1 bit 界定符。消息層面的校驗還包括格式錯誤校驗，格式錯誤校驗會檢查消息幀中必須為隱性的位，如果這些位表現(xiàn)為顯性，那么節(jié)點將報格式錯誤。格式錯誤檢查的隱性位包括SOF、EOF、ACK界定符和CRC界定符。
在比特層面，發(fā)送節(jié)點在發(fā)送消息的同時會檢測總線電平，如果檢測到總線的狀態(tài)和它發(fā)送的狀態(tài)不符，則發(fā)送節(jié)點將報錯。該過程的兩處例外是消息幀處于標識符仲裁階段和消息應答階段。
最后一種錯誤校驗機制源于CAN總線的位填充機制。除了錯誤標志和EOF，如果節(jié)點檢測到連續(xù)?6?個相同電平，它即報填充錯誤。主動錯誤標志包括連續(xù)6個顯性位，總線上所有檢測到主動錯誤標志的節(jié)點都會報錯，而產(chǎn)生各自的錯誤幀，這意味著總線上的錯誤幀可能由原先的?6 bit?到反饋疊加至?12 bit?不等。錯誤幀后面緊接著8個隱性位界定符（如圖10）。在總線空閑時，消息通過競爭仲裁獲得總線占用權(quán)后將重新傳送。
綜上，CAN總線的錯誤類型包括以下五種：
CRC錯誤（CRC Error）
在發(fā)送消息時，發(fā)送節(jié)點會根據(jù)特定的多項式計算出由數(shù)據(jù)幀SOF位到數(shù)據(jù)域最末位的Checksum值，并將該值放在數(shù)據(jù)幀的CRC域，隨著數(shù)據(jù)幀廣播到總線上。接收節(jié)點在收到數(shù)據(jù)后，應用同樣的多項式計算Checksum值，并與收到的Checksum值對比。如果兩者一致，正常接收；如果不一致，則舍棄該消息，并發(fā)送錯誤幀請求發(fā)送節(jié)點重傳消息。CRC校驗過程如圖15所示。
CAN 2.0 規(guī)范定義CRC校驗應用的多項式為：
圖15. CRC校驗機制
應答錯誤（ACK Error）
發(fā)送單元在ACK位中檢測到隱性電平時所檢測到的錯誤（ACK沒被傳送過來時所檢測到的錯誤）。
格式錯誤（Form Error）
檢測出與固定格式的位段相反的格式時所檢測到的錯誤。
位錯誤（Bit Error）
比較輸出電平和總線電平（不含填充位），當兩電平不一樣時所檢測到的錯誤。
填充錯誤（Stuff Error）
在需要位填充的段內(nèi)，連續(xù)檢測到?6?位相同的電平時所檢測到的錯誤。
CAN總線上的每個節(jié)點控制器都會檢測消息是否出錯，如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)消息出錯，它將發(fā)送錯誤標志，從而打斷總線上正常的數(shù)據(jù)傳輸?？偩€上其它沒有發(fā)現(xiàn)原始消息錯誤的節(jié)點，在收到錯誤標志后將采取必要的措施，比如舍棄當前總線上的消息。CAN節(jié)點內(nèi)部有兩種錯誤狀態(tài)計數(shù)器?TEC?和?REC?。節(jié)點通過特定的規(guī)則管理這兩個計數(shù)器的值，其中：
TEC?/Transmit Error Counter，發(fā)送錯誤狀態(tài)計數(shù)器，出現(xiàn)一次錯誤該計數(shù)器值?+8；
REC?/Receive Error Counter，接收錯誤狀態(tài)計數(shù)器，出現(xiàn)一次錯誤該計數(shù)器值?+1；
消息成功發(fā)送或接收一次，對應的?TEC?或?REC?值相應?-1
TEC?增加的速度快于?REC?增加的速度，這是因為有很大概率地是發(fā)送節(jié)點，而不是接受節(jié)點出錯！基于?TEC?和?REC數(shù)值的變化，CAN規(guī)范定義了節(jié)點的?3?種基本錯誤狀態(tài)：
Error Active：正常狀態(tài)，在此狀態(tài)下，節(jié)點可以發(fā)送所有類型的幀，包括錯誤幀；
Error Passive：節(jié)點可以發(fā)送除錯誤幀以外的所有幀；
Bus Off：節(jié)點被控制器從總線上隔離
節(jié)點的三種錯誤狀態(tài)切換關(guān)系如圖16所示。
圖16. CAN總線節(jié)點錯誤狀態(tài)切換圖
圖17示例CAN通信過程信號波形。
在?1?時刻，節(jié)點A向總線上發(fā)送消息；
在?2?時刻，節(jié)點B和C收到消息，發(fā)送響應應答；
在?3?時刻，節(jié)點B和C同時向總線上發(fā)送消息，競爭仲裁后節(jié)點C獲得總線占用權(quán)，
在4?時刻繼續(xù)發(fā)送未傳輸完畢的數(shù)據(jù)；
節(jié)點A和B在?5?時刻響應C發(fā)送的消息；
在總線空閑的?6?時刻，B發(fā)送消息到總線上；
在7?時刻節(jié)點A和B響應節(jié)點B發(fā)送的消息；
在?8?時刻，節(jié)點A向空閑總線上發(fā)送消息。
圖17. CAN通信過程舉例
一直以來，對CAN總線的認識僅限于收發(fā)器、電平端接以及高低速的區(qū)分。作為“業(yè)內(nèi)人士”，對汽車電子行業(yè)內(nèi)最為基礎(chǔ)的通信協(xié)議卻不甚了了，頗有些“平生不識陳近南”的遺憾，因此很早軍規(guī)就萌生撰寫一篇CAN總線文章的念頭。然而手頭資料太多，不知從何下手，終于好不容易鼓起勇氣，在印象筆記內(nèi)敲下“CAN總線協(xié)議”的標題，也是整整一年前的事了（2016/05/31）。
拖延癥如此嚴重，\Database\Portocol\CAN?文件夾中囤積的資料越來越多。軍規(guī)悲觀地發(fā)現(xiàn)，這些文檔雖然保存在本地，但99%以上的文檔，既然在下載的時候都沒有認真地閱讀和消化，又如何指望在未來的某一天與它再次重逢？
于是，自上月末起，軍規(guī)每日下班后抽出?1-2?小時，如此持續(xù)將近兩周，將先前搜集有關(guān)CAN總線的資料羅列、拼湊到這個地方，試圖將該命題下所有的知識點收服在自己的知識框架下。每寫完一個知識點，就刪掉本地幾篇講解同樣內(nèi)容的文檔。如同妖怪吸干人體之精華，吐掉無用的軀殼，大呼過癮！
當然，本文還是很原始的版本，其中不免有許多錯誤，而且還有不少知識點，比如同步、加密等，都沒有涉及到。鑒于此，軍規(guī)會在后續(xù)不斷地修正和完善它。（2017/05/06）
CAN Bus?-Wikipedia
CAN 入門書?-Renesas
Learning Module CAN?-Vector
CAN?-CANAUTO
Can?Bus Id Filter And Mask?-De Montfort University
Data Communication in the Automobile: CAN?-Vector
CAN Protocol Tutorial?-Kvaser
SSP269: Data Transfer on CAN Data Bus II?-VW
Introduction to the Controller Area Network?-TI
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/aaronLinux/p/11032911.html
