CAN总线简介

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。

历史背景

CAN 最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国 Bosch 公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。
在1980年代初期，博世的工程师正在评估现有的串行总线系统，以探讨其在汽车中的可能用途。由于没有可用的网络协议能够满足汽车工程师的要求，因此Uwe Kiencke于1983年开始开发新的串行总线系统。
新的总线协议主要是要增加新的功能 — 减少线束不是CAN发展背后的驱动力。
1986年2月，CAN诞生了：在底特律的SAE大会上，新的总线系统被称为“Automotive Serial Controller Area Network（汽车串行控制器局域网）”。Uwe Kiencke，Siegfried Dais和Martin Litschel介绍了多主网络协议。它基于一种非破坏性仲裁机制，该机制允许总线访问具有最高优先级的帧而没有任何延迟。没有中心控制器。此外，CAN之父（上述人员以及博世员工Wolfgang Borst，Wolfgang Botzenhard，Otto Karl，Helmut Schelling和Jan Unruh）已经实现了几种错误检测机制。错误处理还包括自动断开故障总线节点，以保持其余节点之间的通信。传输的帧不是由帧发送器或帧接收器的节点地址（几乎在所有其他总线系统中）识别的，而是由它们的内容识别的。表示帧有效载荷的标识符，还具有指定帧在网络段内的优先级。
随后，许多介绍该创新通信协议的演讲和出版物，直到1987年中期（比计划提前两个月），英特尔才交付了第一款CAN控制器芯片82526。这是CAN协议的第一个硬件实现。在短短四年内，一个想法就变成了现实。此后不久，飞利浦半导体推出了82C200。CAN控制器的这两个最早的祖先在接受过滤和帧处理方面有很大的不同。一方面，与飞利浦选择的BasicCAN实施相比，英特尔所青睐的FullCAN概念要求所连接的微控制器的CPU负载更少。另一方面，FullCAN设备在可以接收的帧数方面受到限制。BasicCAN控制器还需要更少的硅。在当今的CAN控制器中，实现了接受过滤和帧处理这两种概念的混合。这使BasicCAN和FullCAN的误导性术语过时了。
现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

发展阶段

1986年发布CAN1.0。
1991年博世发布CAN2.0规范，分为CAN2.0A(11位标识符)和CAN2.0B(11+18=29位标识符)。
1993年ISO组织发布国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）规范：
1. ISO11898-1 涵盖数据链路层。
2. ISO 11898-2 涵盖高速CAN的CAN物理层（经典CAN速度1Mbps，CAN FD 5Mbps）。
3. ISO 11898-3 涵盖低速、容错CAN的物理层（速度125kbps）。
4. 后续推出ISO 11898-4 -5 和-6标准。
2012年博世发布CAN FD 1.0（速度2Mbps，使用加强版CAN PHY的CAN FD-SiC可以做到5-8Mbps）。
2014，Infineon 开发出支持CAN FD
2015，ISO 组织发布CAN FD 标准（ISO 11898-1 ）
2018年发布第三代CAN数据链路层协议CAN XL，速度提升至10Mbps，兼容CAN FD。

帧格式

Classic CAN和CANFD帧长度
不管是Classic CAN还是CANFD，其帧结构都由以下7个段组成

SOF；
仲裁字段（包含标识符字段和部分格式字段）；
控制字段（包含 DLC 字段和部分格式字段）；
数据字段（包含 LLC 数据字段）
CRC 字段
ACK 字段；

SOF：帧起始

标识一个数据帧的开始，用于同步
固定格式：一个显性位
只有在总线空闲期间，节点才能够发送SOF

ID：标识符

唯一确定一条报文
表明报文的含义，可以包含报文的源地址和目标地址
确定报文的仲裁优先级，ID 数值越小，优先级越高
标准帧：11位；扩展帧：29位

RRS

对应传统CAN报文RTR位
CAN FD 没有定义远程帧
发送节点发送显性位

IDE

用于区分标准帧和扩展帧
标准帧，IDE=0（11 位ID）
扩展帧，IDE=1（29 位ID）

FDF

用于区分普通CAN报文和CAN FD报文
CAN 报文，FDF=0
CAN FD 报文，FDF=1
不用于仲裁
对于同一ID 值只能分配给Classic CAN 报文或者FD 报文

res

保留位
当前置0

BRS（Bit Rate Switch）

速率切换指示位
BRS=1 ，进行速率切换
BRS=0 ，不进行速率切换

ESI（Error State Indicator）

错误状态指示
ESI=0 ，处于主动错误状态的节点
ESI=1 ，处于被动错误状态的节点

DLC

在这里插入图片描述

数据场

具有0-64个字节长度，由DLC确定
包含CAN数据帧发送的内容

CRC

在这里插入图片描述

CRC界定符(DEL)

界定CRC序列
1~2位（相位偏移引起）
在界定符的第一位进行速率切换

ACK

确定报文被至少一个节点正确接收
发送节点发送隐性位，接收节点正确接收后发送显性
FD报文中所有节点最多可正确接收两位显性ACK

ACK界定符(DEL)

界定ACK
固定格式，1个隐性位

EOF

表示数据帧结束
固定格式，7个连续的隐性位

CAN 与ISO CAN FD 报文格式对比( 标准帧)

在这里插入图片描述

CAN 与ISO CAN FD 报文格式对比( 扩展帧)

在这里插入图片描述

Classic CAN Standard Frame标准帧（不考虑位填充）共：108Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（12bit）、控制段（6bit）、数据段（8×8bit）、循环冗余码段（16bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

Classic CAN Extended Frame扩展帧（不考虑位填充）共：128Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（32bit）、控制段（6bit）、数据段（8×8bit）、循环冗余码段（16bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

CANFD Standard Frame标准帧（不考虑位填充；DLC = 8）共：117Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（12bit）、控制段（9bit）、数据段（8×8bit）、循环冗余码段（22bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

CANFD Standard Frame标准帧（不考虑位填充；DLC = 64）共：569Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（12bit）、控制段（9bit）、数据段（64×8bit）、循环冗余码段（26bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

CANFD CAN Extended Frame扩展帧（不考虑位填充；DLC = 8）共：136Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（32bit）、控制段（8bit）、数据段（8×8bit）、循环冗余码段（22bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

CANFD CAN Extended Frame扩展帧（不考虑位填充；DLC = 64）共：588Bit
帧起始（1bit）、仲裁段（32bit）、控制段（8bit）、数据段（64×8bit）、循环冗余码段（26bit）、应答段（2bit）和帧结束（7bit）

单个帧的“负载率”
对Classic CAN Standard Frame标准帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 8）：108+3=111Bit；

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
250 Kbps	4000纳秒	((111 * 4000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0444%
500 Kbps	2000纳秒	((111 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0222%
1 Mbps	1000纳秒	((111 * 1000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0111%

对Classic CAN Extended Frame扩展帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 8）：
128+3=131Bit；

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
250 Kbps	4000纳秒	((131 * 4000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0524%
500 Kbps	2000纳秒	((131 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0262%
1 Mbps	1000纳秒	((131 * 1000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0131%

对CANFD Standard Frame标准帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 8；启用BRS位加速）：117+3=120Bit
其中：

29Bit使用仲裁段波特率：1位SOF段，12位仲裁段，1位IDE，1位FDF，1位R0，1位BRS，2位ACK段，7位EOF段，3位帧间隔；
91Bit使用数据段波特率；1位ESI，4位DLC，64位数据段，22位CRC段。

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
仲裁段500 Kbps	2000纳秒	((29 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0058%
数据段2 Mbps	500纳秒	((91 * 500纳秒) / 1秒) *100%= 0.00455 %
单个帧的“负载率”		0.01035%

对CANFD Standard Frame标准帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 64；启用BRS位加速）：569+3=572Bit；
其中：

29Bit使用仲裁段波特率：1位SOF段，12位仲裁段，1位IDE，1位FDF，1位R0，1位BRS，2位ACK段，7位EOF段，3位帧间隔；
543Bit使用数据段波特率；1位ESI，4位DLC，512位数据段，26位CRC段。

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
仲裁段500 Kbps	2000纳秒	((29 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0058%
数据段2 Mbps	500纳秒	((543 * 500纳秒) / 1秒) *100%= 0.02715%
单个帧的“负载率”		0.03295%

对CANFD Extended Frame扩展帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 8；启用BRS位加速）：136+3=139Bit；
其中：

48Bit使用仲裁段波特率：1位SOF段，32位仲裁段，1位FDF，1位R0，1位BRS，2位ACK段，7位EOF段，3位帧间隔；
91Bit使用数据段波特率；1位ESI，4位DLC，64位数据段，22位CRC段。

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
仲裁段500 Kbps	2000纳秒	((48 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0096%
数据段2 Mbps	500纳秒	((91 * 500纳秒) / 1秒) *100%= 0.00455%
单个帧的“负载率”		0.01415%

对CANFD Extended Frame扩展帧来说，发送一帧实际长度（不考虑位填充；帧间隔3Bit；DLC = 64；启用BRS位加速）：588+3=591Bit；
其中：

48Bit使用仲裁段波特率：1位SOF段，32位仲裁段，1位FDF，1位R0，1位BRS，2位ACK段，7位EOF段，3位帧间隔；
543Bit使用数据段波特率；1位ESI，4位DLC，512位数据段，26位CRC段。

比特率/波特率	一个Bit的位时间	单个帧的“负载率”
仲裁段500 Kbps	2000纳秒	((48 * 2000纳秒) / 1秒) *100%= 0.0096%
数据段2 Mbps	500纳秒	((543 * 500纳秒) / 1秒) *100%= 0.02715%
单个帧的“负载率”		0.03675%