一文读懂CAN

1、CAN定义

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低功耗、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN两个ISO国际标准：

1）ISO11898 ：定义了通信速率为 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度 ≤ 40米。

2）ISO11519：定义了通信速率为 10～125 kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米。

2、种类

CAN总线根据CAN收发器的不同又分为3种：

1）高速CAN：

a.根据线缆的长度提供从5Kbit/s到1Mbit/s的波特率

b.高速CAN网络在每个网络端点端接一个120欧姆的电阻

c.电平静默为2.5V，上下限是3.5V和1.5V

2） 容错CAN：

a.提供从5 Kbit/s到125 Kbits/s的波特率

b.显性时则为1V和4V

3）单线CAN：

a.提供从5 Kbit/s到125 Kbits/s的波特率

b.单线CAN的波特率一般为33.3KHz

3、一般燃油车的CAN网络分类

1）PT CAN (PowerTrain CAN ) 动力总成CAN总线

2）CH CAN (Chassis CAN) 底盘控制CAN总线

3）Body CAN车身控制总线

4）Info CAN ( Infomercial CAN ) 娱乐系统总线

5）DiagCAN ( Diagnose CAN ) 诊断控制总线

4、汽车CAN网络拓扑图

5、CAN网关

CAN网关是整个CAN网络的核心, 控制着整车5条CAN总线的各类信号转发与处理

6、CAN组成

在实际应用中，CAN总线的一个帧主要由帧信息，帧ID和帧数据组成。

1）帧信息：四类，标准数据帧（汽油车、电机）、标准远程帧（少见）、扩展数据帧（广大柴油车、部分汽油车）、扩展远程帧（少见）。

2）帧ID：是CAN的一种“地址”。CAN有个特点是竞争机制，帧ID越小越有占用总线资源的权利，越会优先发送。

DBC文件：在车辆行业中，如果对车辆CAN总线上的每个帧ID及每个帧数据都做出了标准的解释，形成了文件的话，此文件为DBC文件。

3）帧数据：与串口相比，CAN的帧数据只有8个字节，即64个位，不会再多了。但CAN FD作为新型总线解决了仅有8字节这个问题。

4）终端电阻：CAN和RS485一样，要在终端减少差分信号的反射，如不在两个终端加电阻，信号会反弹回来影响通讯。终端电阻在CAN总线上要有两个，阻值为120欧姆，并联，最远的两端一边一个。如果有多个节点的话，终端电阻应适当加大。

5）波特率：常见的CAN波特率大多都是整数。常见的车辆波特率有500K，250K，125K，100K。

7、CAN标准

CAN标准分为底层标准（物理层和数据链路层）和上层标准（应用层）两大类。

底层标准：

CAN底层标准都相同，涵盖OSI模型中的物理层和数据链路层，与ISO/OSI模型的对应关系如下图所示：

• ISO 11898-1：数据链路层协议，描述CAN总线的基本架构，定义不同CAN总线设备在数据链路层通信方式

• ISO 11898-2：高速CAN总线物理层协议，最高数据传输速率 1Mbps，应用为两线平衡式信号（CAN_H, CAN_L）

• ISO 11898-3：定义低速CAN总线（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理层标准，数据传输速率在 5Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指总线上一根传输信号失效时，依靠另外的单根信号也可以通信

• ISO 11898-4：定义CAN总线中的时间触发机制（Time-Triggered CAN, TTCAN），定义与ISO 11898-1 配合的帧同步实体，实现汽车ECU之间基于时间触发的通信方式。

上层标准：

涉及到例如流控制、设备寻址和大数据块传输控制等，不同应用领域或制造商会有不同的做法，没有统一的国际标准

8、帧分类

CAN总线定义四种帧类型：

1）数据帧

用于发送单元向接收单元传送数据的帧

数据帧的帧结构图：

SOF：表示数据帧开始；（1 bit），发出一个显性位边沿，网络节点以此开始同步

Identifier：标准格式11 bit，扩展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），该区段标识数据帧的优先级，数值越小，优先级越高；

RTR：远程传输请求位，0时表示为数据帧，1表示为远程帧，也就是说RTR=1时，消息帧的Data Field为空；（1 bit）

IDE：（1 bit）标识符扩展位，0时表示为标准格式，1表示为扩展格式；扩展帧和标准帧格式不同，不能存在于同一can网络

DLC：数据长度代码，0-8表示数据长度为0~8 Byte；（4 bit）

Data Field：数据域；（0~8 Byte）

CRC Sequence（15 bit）：

• 校验域，从sof到数据场的所有数据进行encode

• 由发送方填

• 校验算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）

DEL：校验域和应答域的隐性界定符；（1 bit）

ACK：（1 bit）

• 应答域，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。

• 发送节点将此位为1，由接收方进行确认，收到消息给出一个显性位0

• 如果一个节点都没有确认收到消息，发送方监听此位为隐形位就会报错

SRR：替代远程请求位，在扩展格式中占位用，必须为1；（1 bit）

EOF：连续7个隐性位（1）表示帧结束；（7 bit）

ITM（3 bit）：

• 帧间空间，Intermission (ITM)，又称Interframe Space (IFS)，连续3个隐性位，但它不属于数据帧。
• 帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间

2）远程帧

用于接收单元向具有相同标识符的发送单元请求数据的帧

远程帧与数据帧的帧结构类似，区别：

• 1、数据帧的 RTR 值为“0”，远程帧的 RTR 值为“1”
• 2、远程帧没有数据块
• 3、远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度

格式图

当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权

3）错误帧

用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧

错误帧的帧结构由错误标志和错误界定符构成

错误标志:

错误界定符：由8bit的隐性位构成

结构图:

4）过载帧

接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备

发送过载帧的两种情况：

1、接收单元条件的制约，要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输

2、帧间空间（Intermission）的 3 bit 内检测到显性位

每个节点最多连续发送两条过载帧

过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成

9、仲裁机制

优先级：标识符值越小，消息的优先级越高

Wire-AND Bus Logic：只有节点发送的全是隐性，总线电平才表现为隐性

所有发送节点在发送数据的同时，也检测总线上的电平状态，逐位对比总线上电平与自身发送的电平

• 1）send 0 出现 1 ：报错
• 2）send 0 出现 0 ：继续
• 3）send 1 出现 1：继续
• 4）send 1 出现 0：竞争失败，转为接收方

竞争失败节点：会自动在检测到总线空闲的第一时间再次尝试发送。

10、条件接收

消息在CAN总线上是广播式的，节点可以通过设置控制器中过滤码（Filter Code ）和掩码（Mask Code），再检验总线上消息的标识符，来判断是否接收该消息

对于掩码，“1”表示该位与本节点相关，“0”表示该位与本节点不相关

举例说明：

11、位填充

CAN采用NRZ编码，没有单独的时钟线，它的优点是效率高，但却不易区分哪里是bit开始，哪里是bit结束。因此为确保在同步通信过程中有足够的电平跳变，规范中应用到位填充机制，即在每连续 5 个相同电平后插入 1个反相电平，接收节点在收到消息后自动将填充位删除。

在帧内除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均应用到位填充机制。

在应用到位填充的域，检测到连续 6 个显性位或隐性位均视为报错。

数据帧在位填充前后的比较图。

12、错误检验

CRC错误

1）在发送消息时，发送节点会根据特定的多项式计算出由数据帧SOF位到数据域最末位的Checksum值，并将该值放在数据帧的CRC域，随着数据帧广播到总线上

2）接收节点在收到数据后，应用同样的多项式计算Checksum值，并与收到的Checksum值对比。如果两者一致，正常接收；如果不一致，则舍弃该消息，并发送错误帧请求发送节点重传消息

应答错误（ACK Error）

接收方会在收到消息后在ack应答位给出一个显性电平，如果发送方检测到该位为隐性，则报错

格式错误（Form Error）

检测出与固定格式的位段相反的格式时所检测到的错误，如检测crc界定符和ack界定符以及eof区域是否出现显性位

位错误（Bit Error）

比较输出电平和总线电平（不含填充位），当两电平不一样时所检测到的错误。如发送显性位，但总线是隐性位就报错

填充错误（Stuff Error）

在需要位填充的段内，连续检测到 6 位相同的电平时所检测到的错误

区域图解

13、错误跟踪机制 error tracking

CAN总线上的每个节点控制器都会检测消息是否出错，如果节点发现消息出错，它将发送错误标志，从而打断总线上正常的数据传输。总线上其它没有发现原始消息错误的节点，在收到错误标志后将采取必要的措施，比如舍弃当前总线上的消息

CAN节点内部有两种错误状态计数器 ：

• 1）TEC /Transmit Error Counter，发送错误状态计数器，出现一次错误该计数器值 +8
• 2）REC /Receive Error Counter，接收错误状态计数器，出现一次错误该计数器值 +1
• 3）消息成功发送或接收一次，对应的 TEC 或 REC 值相应 -1

CAN规范定义了节点的 3 种基本错误状态：

• 1） Error Active：正常状态，在此状态下，节点可以发送所有类型的帧，包括错误帧；发现错误后会很积极主动地上报错误
• 2）Error Passive：节点可以发送除错误帧以外的所有帧；TEC or REC 计数超过127就进入此状态；此时，该节点发现错误后只会发送6个隐性位，不会把错误广播出去。并且，发送连续帧时，中间必须间隔8bit的延缓时间
• 3）Bus Off：节点被控制器从总线上隔离；或者TEC大于255，就会进入这个状态，需要重启，或者等待128个11位隐性位电平

节点错误状态切换图