一文搞懂CAN和CANFD总线协议

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这篇文章是将一文搞懂CAN总线协议帧格式和一文搞懂CAN FD总线协议帧格式两篇文章的整合，方便各位朋友学习和查阅。

CAN总线上传输的信息称为报文，当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。

CAN通信是通过以下5种类型的帧进行的：

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符（Identifier: 以下简称 ID）， 扩展格式有 29 个位的 ID。

各种帧的用途如下表所示：

数据帧由7个段构成，图解说明如下所示：

帧起始由1个显性位组成。总线空闲时，发送节点发送帧起始，其他接收节点同步于该帧起始位。

总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。

总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1”。

“显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。并且，“隐性”具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强。）

仲裁段用于写明需要发送到目的CAN节点的地址、确定发送的帧类型（当前发送的是数据帧还是遥控帧），并确定发送的帧格式是标准帧还是扩展帧。

仲裁段在标准格式帧和扩展格式帧中有所不同。标准格式帧的仲裁段由11位标识符和远程发送请求位RTR组成，扩展格式帧的仲裁场由29位标识符和远程发送请求位RTR组成。

标准数据帧基于早期的CAN规格（1.0和2.0A版），使用了11位的识别域。

CAN标准帧帧信息是11字节，包括帧描述符和帧数据两部分。如下表所列：

前3字节为帧描述部分。字节1为帧信息，第7位（FF）表示帧格式，在标准帧中FF=0，第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧。DLC表示在数据帧时实际的数据长度。

标准数据帧的 ID 有 11 个位。从 ID10 到 ID0 依次发送。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）。

字节2~3为报文识别码，其高11位有效。

字节4~11为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

CAN扩展帧帧信息是13字节，包括帧描述符和帧数据两部分，如下表所示：

前5字节为帧描述部分。字节1为帧信息，第7位（FF）表示帧格式，在扩展帧中FF=1，第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧。DLC表示在数据帧时实际的数据长度。

扩展格式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和 标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）。

字节2~5为报文识别码，其高28位有效。

字节6~13为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

控制段由6个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位，标准格式和扩展格式的构成有所不同。

数据长度代码指示了数据段中的字节数量。数据长度代码为4个位，在控制段里被发送，数据帧长度允许的字节数为0、1、2、3、4、5、6、7、8，其他数值为非法的。

保留位（r0、r1）必须全部以显性电平发送。但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。

数据长度码（DLC）与数据的字节数的对应关系如下表所示：

数据的字节数必须为 0~8 字节，但接收方对 DLC = 9~15 的情况并不视为错误。

数据段由数据帧中的发送数据组成，它可以为0~8字节，每字节包含了8位，首先发送最高有效位MSB，依次发送至最低有效位LSB。

CRC段是检查帧传输错误的帧，包括：15 个位的 CRC序列（CRC SEQUENCE）和1 个位的CRC界定符（CRC DELIMITER）构成。

CRC序列是根据多项式生成的 CRC 值，CRC 的计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据 段。接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较，不一致时会通报错误。

ACK段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽（ACK SLOT）和 ACK 界定符（ACK DELIMITER）2 个位构成。

发送单元在 ACK 段发送 2 个位的隐性位。当接收器正确地接收到有效的报文时，接收器就会在应答间隙（ACK SLOT）期间（发送ACK 信号）向发送器发送一个“显性”的位以示应答，通知发送单元正常接收结束，这称作“发送 ACK”或者“返回 ACK”。

发送 ACK/返回 ACK是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元 （发送单元不发送 ACK）。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC 错误的消息。

帧结束是由每一个数据帧和远程帧的标志序列界定的，这个标志序列由7个“隐性”位组成。

CAN协议可以接收和发送11位标准数据帧和29位扩展数据帧，CAN标准数据帧和扩展数据帧只是帧ID长度不同，以便可以扩展更多CAN节点。

标准数据帧基于早期的CAN规格（1.0和2.0A版），使用了11位的识别域。

CAN标准帧帧信息是11字节，包括帧描述符和帧数据两部分。如下表所列：

前3字节为帧描述部分。字节1为帧信息，第7位（FF）表示帧格式，在标准帧中FF=0，第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧。DLC表示在数据帧时实际的数据长度。

标准数据帧的 ID 有 11 个位。从 ID10 到 ID0 依次发送，可以出现2^11种报文，帧ID的范围是：000-7FF，禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）。

字节2~3为报文识别码，其高11位有效。

字节4~11为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

CAN扩展帧帧信息是13字节，包括帧描述符和帧数据两部分，如下表所示：

前5字节为帧描述部分。字节1为帧信息，第7位（FF）表示帧格式，在扩展帧中FF=1，第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧。DLC表示在数据帧时实际的数据长度。

扩展格式的 ID 有 29 个位，基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示，基本 ID 和 标准格式的 ID 相同，可以出现2^29种报文，且在数据链路上是有间隙的（对操作者透明），帧ID的范围是0000 0000-1FFF FFFF，禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）。

字节2~5为报文识别码，其高28位有效。

字节6~13为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

CAN标准数据帧和扩展数据帧只是帧ID长度不同，功能上都是相同的，它们有一个共同的特性：帧ID数值越小，优先级越高。

遥控帧是接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧，遥控帧由 6 个段组成，遥控帧没有数据段。

遥控帧的构成如下所示：

遥控帧格式如下图所示：

数据帧和遥控帧主要有两点区别：

错误帧由错误标志（Error Flag）和错误界定符（Error Delimiter）组成。

接收节点发现总线上的报文有错误时，将自动发出活动错误标志，它是6个连续的显性位。其他节点检测到活动错误标志后发送错误认可标志，它由6个连续的隐性位组成。由于各个接收节点发现错误的时间可能不同，所以总线上实际的错误标志可能由6~12个显性位组成。

错误界定符由 8 个位的隐性位构成。当错误标志发生后，每一个CAN 节点监视总线，直至检测到一个显性电平的跳变。此时表示所有的节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送8个隐性电平的界定符。

如下所示：

 错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。

错误帧共有 5 种，多种错误可能同时发生，种类如下所示：

错误的种类、错误的内容、错误检测帧和检测单元如下表所示：

重点聊一聊位错误和格式错误。

位错误特性如下所示：

格式错误特性如下所示：

发送单元发送完错误帧后，将再次发送数据帧或遥控帧，错误标志输出时序如下表所示：

过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧，过载帧由过载标志和过载界定符构成。

过载帧的构成如下图所示：

帧间隔是用于分隔数据帧和遥控帧的帧。数据帧和遥控帧可通过插入帧间隔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隔。

帧间隔的构成如下图所示：

帧间隔由间隔段、总线空闲段和延迟传送段组成，具体说明如下所示：

随着总线技术在汽车电子领域越来越广泛和深入的应用，特别是自动驾驶技术的迅速发展，汽车电子对总线宽度和数据传输速率的要求也越来也高，传统CAN（1MBit/s，8Bytes Payload）已难以满足日益增加的需求。

因此在2012年，Bosch发布了新的CAN FD标准 (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD继承了CAN的绝大多数特性，如同样的物理层，双线串行通信协议，基于非破坏性仲裁技术，分布式实时控制，可靠的错误处理和检测机制等，同时CAN FD弥补了CAN在总线带宽和数据长度方面的不足。

2015年6月30日，国际标准化组织（ISO）已经正式认可CAN FD，并无反对票通过ISO 11898-1作为国际标准草案。

CAN FD协议是由Bosch以及行业专家预研开发的，并于2012年发布。通过标准化对其进行了改进，现已纳入ISO 11898-1:2015。一开始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）与ISO CAN FD是不兼容。

CAN FD具有以下4个主要优点：

CAN FD每个数据帧最多支持64个数据字节，而传统CAN最多支持8个数据字节。这减少了协议开销，并提高了协议效率。

CAN FD支持双比特率：与传统CAN一样，标称（仲裁）比特率限制为1 Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit/s的数据比特率。

CAN FD使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，从而降低了未被检测到的错误的风险。这在汽车和工业自动化等安全攸关的应用中至关重要。

在一些特定的情况下CAN FD能用在仅使用传统CAN的ECU上，这样就可以逐步引入CAN FD节点，从而为OEM简化程序和降低成本。

实际上，与传统CAN相比，CAN FD可以将网络带宽提高3到8倍，从而为数据的增长提供了一种简单的解决方案。

CAN FD和CAN总线协议帧格式如下所示：

CAN FD和CAN总线协议帧不同点如下所示：

CAN FD的速率可变，从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，最高速率可达到8Mbps，其他部分与CAN相同。

CAN FD支持的最大数据长度为64byte，CAN支持的最大数据长度为8byte。

CAN FD新增了FDF、BRS、ESI位：

CAN FD标准帧ID长度可扩展至12bit，CAN的标准帧ID为11bit。

CAN FD节点可以正常收、发CAN报文，但CAN节点不能正确收、发CAN FD报文，因为其帧格式不一致。

与CAN一样，CAN FD一共具有：帧起始，仲裁段，控制段，数据段，CRC段，ACK段和帧结束，7部分组成。

CAN与CANFD使用相同的SOF标志位来标志报文的起始。帧起始由1个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步作用。

与CAN不同，CAN FD取消了对远程帧的支持，用RRS位替换了RTR位，为常显性。IDE用于区分标准帧和扩展帧。

CAN FD与CAN有着相同的IDE、res和DLC位，同时增加了FDF、BRS、ESI三个bit位。

CAN FD兼容CAN的数据格式，同时最大还能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。

像在传统CAN中一样，CAN FD DLC是4位，表示帧中数据字节的数量。为了维持4位DLC，CAN FD使用从9到15的其余7个值来表示所使用的数据字节数（12、16、20、24、32、48、64）。

传统CAN中的循环冗余校验（CRC）为15位，而在CAN FD中为17位（最多16个数据字节）或21位（20-64个数据字节）。在传统CAN中，CRC中可以包含0到3个填充位，而在CAN FD中，总是有四个固定填充位以提高通信可靠性。

ACK紧跟着CRC结束标识位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的识别。

与CAN一样，CAN FD的帧结尾也为连续7位的隐性位。

CAN FD采用了两种方式来提高通信的效率：一种方式为缩短位时间提高位速率；另一种方式为加长数据场长度减少报文数量降低总线负载率。

CAN FD在 CRC 校验段采用了三种多项式来保证高速通讯下的数据可靠性。

CAN FD支持双比特率，与传统CAN一样，标称（仲裁）比特率限制为1 Mbit/s，而数据比特率则取决于网络拓扑/收发器。实际上，可以实现高达5 Mbit/s的数据比特率。

从控制段中的 BRS 位到 ACK 段之前（含 CRC 分界符）为可变速率，其余部分为原 CAN 总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位 TQ 外，位时间各段的分配比例也可不同。

CAN FD每个数据帧最多支持64个数据字节，而传统CAN最多支持8个数据字节，这减少了协议开销，并提高了协议效率。

DLC 最大支持 64 个字节，在 DLC 小于等于 8 时与原 CAN 总线是一样的，大于 8 时则有一个非线性的增长，最大的数据场长度可达 64 字节。如下所示为 DLC 数值与字节数的非线性对应关系。

CAN FD使用改进的循环冗余校验（CRC）和“受保护的填充位计数器”，由于 DLCs 的长度不同，在 DLC 大于 8 个字节时，CAN FD选择了两种新的 BCH 型 CRC 多项式，从而降低了未被检测到的错误的风险。

尽管 CANFD 继承了绝大部分传统 CAN 的特性，但是从传统 CAN 到 CANFD 的升级， 我们仍需要做很多的工作。

1、在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要选取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收发器，还要选取新的网络调试和监测工具。

2、在网络兼容性方面，对于传统 CAN 网段的部分节点需要升级到 CANFD 的情况要特别注意，由于帧格式不一致的原因，CANFD 节点可以正常收发传统 CAN 节点报文，但是传统 CAN 节点不能正常收发 CANFD 节点的报文。

CAN FD 协议是 CAN-BUS 协议的最新升级，将 CAN 的每帧 8 字节数据提高到 64 字节，波特率从最高的 1Mbps 提高到 8-15Mbps，使得通讯效率提高 8 倍以上，大大提升了车辆的通讯效率。

此项技术一直被欧美企业垄断，直至 2016 年，中国 CAN-BUS 领导者—广州致远电子股份有限公司，基于拥有完全知识产权的 CAN FD IP 核代码，研制出中国第一款 CAN FD 接口卡，使中国的总线技术水平与世界最高水平同步。

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