CAN 协议层

协议帧格式概览

协议层定义了数据在总线上的封装格式。CAN 协议主要包含以下几种帧格式：

ISO 11898-1 帧格式

帧类型	主要用途	发送时机/约束	关键特点
数据帧	传输实际数据	总线空闲时主动发送 需通过仲裁机制 (ID 越小优先级越高) 仲裁失败自动重传（可配置）	结构：SOF + ID + 控制 + 数据 + CRC + ACK + EOF 容量：0~8 Byte ACK：发送方发隐性位，接收方发显性位确认
远程帧	请求特定 ID 的数据	总线空闲时发送 (需仲裁) 目标节点必须支持并配置为响应	结构：类似数据帧，但 RTR=1 且 无数据场 注意：不仅引入延迟且占用带宽
错误帧	通知全局总线错误	立即发送：检测到错误时立即触发，不等待总线空闲 会破坏当前正在传输的帧	结构：错误标志 (6 位) + 错误界定符 (8 位) 主动错误：发送 6 个显性位 (破坏位填充规则) 被动错误：发送 6 个隐性位 触发：位、填充、CRC、格式、ACK 错误
过载帧	延迟下一帧接收	在 EOF 最后 1bit、错误帧界定符最后 1bit、过载界定符最后 1bit、帧间隔第 1 或第 2bit 检测到显性电平时 由控制器硬件自动处理，应用层无法主动发送	结构：类似主动错误帧 (6 个显性位) 现状：现代 CAN 控制器速度极快，几乎不再需要此帧
帧间隔	物理分隔连续的帧	强制性时间间隙 任何节点在此时段内不可发送数据/远程帧	组成：间歇场 (3 个隐性位) + 总线空闲 特殊情况：错误帧/过载帧后，先发送界定符 (8 位)，再进入帧间隔

数据帧

数据帧（Data Frame）是 CAN 总线进行数据传输的常用类型，用于节点间的数据传输。

标准数据帧采用 11-bit 标识，格式如下：

标准数据帧

扩展数据帧采用 29-bit 标识符 (11-bit Base ID + 18-bit Extension ID)，用于大型网络，格式如下：

扩展数据帧

关键字段解析

帧结构由显性位（逻辑 0）起始，以连续的隐性位（逻辑 1）结束。完整的数据帧由七个功能段组成，依序为：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC 段、ACK 段及帧结束。

数据帧结构定义

功能段 (Field)	组成/位定义	技术说明
帧起始 (SOF)	Start Of Frame，1 位 (显性)	标识帧开始，用于硬同步。
仲裁段	ID, RTR, IDE, SRR	ID: 11 位(标准)或 29 位(扩展)，决定优先级，ID 编号越小优先级越高 RTR: Remote TransmissionRequest，区分数据帧(0)与远程帧(1)。数据帧优先级高于远程帧。 IDE: Identifier Extension，区分标准帧(0)与扩展帧(1)。标准帧的优先级高于扩展帧。 仲裁机制: 线与逻辑，显性电平优先
控制段	DLC (4 位), r0/r1	DLC: Data Length Code，指示数据字节数 (0-8)。r0/r1 为保留位。
数据段	0-8 字节	有效载荷，MSB 先行。
CRC 段	CRC 序列(15 位) + 界定符	硬件计算校验码，界定符为隐性位。
ACK 段	ACK 槽 + 界定符	发送方发隐性，接收方拉低为显性以应答。
帧结束 (EOF)	7 位 (隐性)	标识帧结束，无位填充。

远程帧

用于接收节点向发送节点请求数据。与数据帧的主要区别在于： RTR 位为隐性 (1) 且 无数据段。格式如 标准远程帧 和 扩展远程帧 所示。

标准远程帧

扩展远程帧

错误帧

当节点检测到总线错误时发送，由错误标志 (6 bits) 和错误界定符 (8 bits) 组成。图 主动错误帧 和 被动错误帧 展示了两种帧格式。 由于不同节点可能在不同时间点检测到错误并发送错误帧，导致总线上的错误标志位叠加，最终的错误标志位间可能在 6 到 12 个位之间，可参考 错误检测和管理 获取详细信息。

主动错误帧

被动错误帧

过载帧

当接收节点未准备好接收下一帧数据时发送，用于在两帧之间插入额外延时。过载帧格式如下：

过载帧的发送时机可参考 发送过载帧。

帧间隔

帧间隔用于分隔数据帧和远程帧的帧。帧间隔格式如下：

• 数据帧和远程帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）分开。

• 过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。

其中：

• Intermission：在前一帧报文（EOF 或 错误界定符）结束后，总线必须保持 3 个位的隐性电平（1）

• Suspension：当发生错误时，

  • 如果一个节点处于 主动错误 状态，节点发完一帧，休息完 3 bit 的 Intermission 后，可以立刻争抢总线发送下一帧

  • 如果一个节点频繁出错，变成了 被动错误 状态，协议规定它在发完一帧后，必须额外多等 8 个隐性位（suspension）。

• Bus idle：如果上面两个阶段都过完了，总线上依然没有数据，那就进入“空闲状态”。此时总线一直维持隐性（1）。任何节点只要想发数据，随时可以把电平拉低（0）来启动发送（即发送 SOF 位）。

位时序与同步机制

CAN 采用异步串行通信，收发双方需约定波特率。为解决时钟漂移和传输延迟问题，ISO 11898 定义了基于 时间量子 (Time Quantum, Tq) 的位时序分解与同步机制。

Bit 分解

根据 ISO 11898-1 标准，总线上的一个 Bit 时序分为四个段：

单个 Bit 分解后的最小单位是 Time quantum（Tq），单位大小为 prescaler/core clk，其中 core clk 是 CAN 的时钟源输入。一个完整的 Bit 位一般由 8-25 个 Tq 组成。

• 同步段 （Sync_Seg） ：用于判断 总线上信号的跳变是否恰好在 Sync_Seg 段内，如果是，则表明通信节点和总线同步

• 传播段 （Prop_Seg） ：用于补偿信号在物理线路上的传输延迟及收发器内部延迟。电信号在总线上传播需要时间，例如在总线仲裁阶段，如果未预留这时间，节点 A 发送的信号还未到达对面节点 B，节点 A 就开始采样，此时采样错误

• 相位缓冲段 1 （Phase_Seg1） ：该段是采样前的弹性缓冲， 紧挨着采样点 。如果当前 Bit 的 Sync_Seg 发现信号跳变晚了（在 Sync_Seg 后面），说明当前 Bit 来得迟，为了不让采样点来得太早，因此需要延长此段

• 相位缓冲段 2 （Phase_Seg2） ：该段是采样后的弹性缓冲。如果当前 Bit 的 Sync_Seg 发现信号跳变早了（快了），说明当前 Bit 的结束的太早，需要缩短 Phase_Seg2 来使得下一 Bit 可以被正确采样

采样点 (Sample Point) 位于 Phase_Seg1 的结束时刻。通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确采样。

下表给出了各个段的参考范围。

时间段的最小配置范围

参数	取值范围	描述
位时间预分频器 (Prescaler)	1 ~ 32	Tq = prescaler / core_clk
Sync_Seg	1 个 Tq (固定)	同步总线上的各个 CAN 节点
Prop_Seg	1 ~ 8 个 Tq	补偿网络内的物理延迟时间
Phase_Seg1	1 ~ 8 个 Tq	补偿边缘相位误差，在同步过程中可能会暂时延长
Phase_Seg2	2 ~ 8 个 Tq	补偿边缘相位误差，在同步过程中可能会暂时缩短
SJW	1 ~ 4 个 Tq	不能长于任意一个相位缓冲段 (Phase_Seg1/2)

通信波特率

CAN 节点的通信速率是传输单个 Bit 的 Tq 总数的倒数，例如时钟源是 40MHz，分频系数是 2，则单个 Tq 的时间是 0.05us。假设单个 Bit 占用 20 个 Tq，则波特率结果为：

Baud Rate = core_clk / (BRP × Total Tq) = 1000000 baud/s

同步过程

前面约定的每个数据 bit 的段划分，并未涉及到相位细节。根据 ISO 11898 标准，同步分为：

• 硬同步 ：仅在当存在“帧起始信号（SOF）”时起作用

• 重新同步 ：在 SOF 后续信号时起作用

两者都使用 Sync_Seg 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的 Sync_Seg 段把跳变沿包含起来

1. 硬同步

当 总线空闲结束 时，第一个帧起始信号 SOF 到来。接收节点检测到总线的 SOF 不在节点内部时序的 SS 段范围，所以判断自己内部时序与总线不同步。此时接收节点会强行将 Bit Time 计数器清零，强行将 Sync_Seg 段对齐到 SOF 信号的下降沿。同步后采样便可正确进行。

硬同步

以图 硬同步 为例，

1. 发送节点 Node_A 在发送 SOF 位时，SOF 位的下降沿在 SS 段

2. 这个时候接收节点 Node_B 发现自己当前位的 SS 段和发送节点 SOF 位的 SS 段不同步。也就是说当 Node_A 产生 SOF 位 SS 段时，Node_B 的当前位的 SS 段已经在 5 个 Tq 之前产生了；

3. 于是接收节点 Node_B 强行将自己当前位的 SS 段拉到与 SOF 位的 SS 段同步

2. 重新同步

   在帧传输过程中（除 SOF 跳变外），每次检测到 隐性到显性（高电平至低电平）的跳变沿 时进行重新同步。以总线跳变沿与 Sync_Seg 段的相对位置进行区分，重新同步可分为：

   1. 相位超前时的重新同步，如图 相位超前时的重新同步 所示。

      1. 发送节点 Node_A 比接收节点 Node_B 的慢，也就是 Node_A 当前位的 ss 段产生的时候，Node_B 当前 Bit 的 ss 段已经在 2 个 Tq 之前产生

      2. 所以这个时候接收节点 Node_B 就将 PBS1 延长 2 个 Tq 的时间

      3. 于是此时 Node_A 当前位的采样点就和 Node_B 的采样点同步

   2. 相位滞后时的重新同步，如图 相位滞后时的重新同步 所示。

      1. 发送节点 Node_A 当前位的 SS 段诞生 2Tq 时长之后，接收节点 Node_B 的当前位才产生 SS 段

      2. 于是，接收节点 Node_B 当前位的 PBS2 段缩短

      3. 这样就会导致接收节点 Node_B 的下一 Bit 能够提前 2 个 Tq，从而 Node_B 的下一 Bit 采样点和 Node_A 下一 Bit 的采样点能够同步。

相位超前时的重新同步

相位滞后时的重新同步

重新同步时，Phase_Seg1 增加和 Phase_Seg2 减少的这段时长被定义为 重新同步补偿宽度 SJW （reSynchronization Jump Width），单次同步的时候不能增加或减少超过 SJW 的时间长度。若有需要， 控制器会通过多次小幅度调整来实现同步。 当控制器设置的 SJW 较大时，可以吸收的误差加大，但通信速度会下降。