CAN 协议详解：从物理层到帧仲裁与错误处理#

2.1 双线差分与显性/隐性#

CAN 使用两根信号线 CAN_H 和 CAN_L，通过电压差表达逻辑电平：

• 隐性位（Recessive）：逻辑 1
• 显性位（Dominant）：逻辑 0

总线具备“线与”特性：如果有节点发送显性位，最终总线表现为显性位。这个机制是 CAN 位仲裁的基础。

2.2 高速 CAN 与低速 CAN#

常见两类规范：

• ISO 11898：高速 CAN（常见 125 kbps 到 1 Mbps）
• ISO 11519-2：低速 CAN（125 kbps 以下）

工程上可理解为：两者在数据链路层规则一致，但物理层电气特性不同。

2.3 节点组成#

一个 CAN 节点一般包含：

• CAN 控制器：实现协议逻辑（帧化、仲裁、错误处理等）
• CAN 收发器：负责 MCU 逻辑电平与总线差分电平转换

例如在 STM32 平台，MCU 内部常集成 CAN 控制器，外部配套收发器芯片。

4.1 基本概念#

• Tq (Time Quantum)：时间量子，位时序最小单位
• NBT (Nominal Bit Time)：一个比特持续时间
• 波特率：Baudrate = 1 / NBT

常见表达方式：

• NBT = (SYNC_SEG + BS1 + BS2)
• 其中 SYNC_SEG 通常为 1 Tq

4.2 采样与重同步#

• 采样点通常位于 BS1 结束处
• SJW（同步跳宽）用于补偿节点间时钟偏差
• 接收过程中检测到边沿后可进行再同步，保证采样稳定

5.1 OSI 对应关系#

5.2 ISO 标准化版本#

5.3 其他标准规范#

6.1 帧类型概览#

CAN 通信围绕 5 类帧：

• 数据帧（Data Frame）
• 远程帧/遥控帧（Remote Frame）
• 错误帧（Error Frame）
• 过载帧（Overload Frame）
• 帧间隔（Inter-frame Space）

此外，数据帧和远程帧都分：

• 标准格式：11 位 ID
• 扩展格式：29 位 ID

6.2 数据帧逐字段拆解（经典 CAN）#

经典 CAN 数据帧可按 7 段理解：

1. SOF：帧起始（1 位显性）
2. 仲裁段：ID + RTR 等，决定优先级
3. 控制段：DLC 与控制位
4. 数据段：0 到 8 字节
5. CRC 段：15 位 CRC + 界定符
6. ACK 段：ACK Slot + ACK Delimiter
7. EOF：帧结束（7 位隐性）

6.3 远程帧、错误帧、过载帧与帧间隔#

7.1 仲裁与优先级规则#

CAN 使用位级非破坏仲裁：

• 节点发送同时监测总线
• 若本节点发隐性但读到显性，说明仲裁失败，立即转接收
• 仲裁按 ID 从高位到低位比较，数值越小通常优先级越高

常见规则：

• 同 ID 下，数据帧优先于远程帧（RTR 位差异）
• 标准帧与扩展帧竞争时，标准帧通常优先（IDE 位差异）

7.2 错误类型与错误帧#

CAN 典型错误包括：

• 位错误（Bit Error）
• 填充错误（Stuff Error）
• CRC 错误
• 格式错误（Form Error）
• ACK 错误

节点检测到错误后会发错误帧通知全网。错误帧由两部分构成：

• 错误标志（主动/被动）
• 错误界定符

这套机制保证了“错误可快速扩散并触发重发”，是 CAN 高可靠性的关键。

7.3 同步机制#

• 硬同步：在总线空闲后检测到 SOF 边沿触发
• 再同步：通信过程中根据边沿与 SJW 调整采样节奏

目标都是让各节点在存在时钟偏差与链路延迟时，仍能稳定采样。