【嵌入式】CAN总线的一些事

一、CAN 简述

全称：Conrtoller Area Network，是ISO国际标准化的串行通信协议。低速CAN通信速率10 ~ 125Kbps，长度可达1000m，高速CAN通信速率125Kbps ~ 1Mbps。长度≤40m。CAN组成由控制器和收发器完成。
低速CAN总线拓扑图：

开环总线环境，最多支持20个节点
高速CAN总线拓扑图：

闭环总线环境，终端电阻（120Ω)用于阻抗匹配，减少回波反射。最多支持30个节点

总线类型：多主结构（Multi-master），所有节点平等，可以主动发送。
通信介质：一条差分双绞线（CAN-H、CAN-L）。
错误检测、错误通知、错误恢复。
电平定义：
- 显性位（Dominant）：CAN-H > CAN-L，逻辑 0
- 隐性位（Recessive）：CAN-H < CAN-L，逻辑 1
- 显性位比隐性位“强”，即显性覆盖隐性

CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

帧类型	帧作用
数据帧（Data Frame）	用于发送单元向接收单元传输数据的帧
遥控帧（Remote Frame）	用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
错误帧（Error Frame）	用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧
过载帧（Overload Frame）	用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧（Inter Frame Space）	用于将数据帧及遥控帧与前面帧分隔开的帧

数据帧格式：

数据帧由7段组成，分成标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B），主要体现在仲裁段和控制段。

数据帧的 7 个段结构
‌帧起始 (SOF)‌：1 位显性电平（逻辑0），表示帧开始并同步节点。
‌仲裁段‌：包含标识符 ID 和 RTR 位，决定优先级和帧类型。
‌控制段‌：包含 IDE、保留位和 4 位 DLC（数据长度码）。
‌数据段‌：0-8 字节实际数据，由 DLC 指定长度。
‌CRC 段‌：15 位校验序列 + 1 位界定符，检测传输错误。
‌ACK 段‌：1 位应答槽 + 1 位界定符，确认接收成功。
‌帧结束 (EOF)‌：7 位隐性电平，表示帧传输完成。‌‌‌
标准帧与扩展帧区别
‌标准帧‌：11 位 ID，仲裁段共 12 位（11 位 ID+1 位 RTR），总长度约 44-108 位。
‌扩展帧‌：29 位 ID（11 位基础 ID+18 位扩展 ID），增加 SRR 和 IDE 位，总长度约 64-128 位。
标准帧优先级高于扩展帧（相同基础 ID 时）。‌‌‌
关键控制位说明
‌RTR 位‌：显性 (0) 为数据帧，隐性 (1) 为遥控帧。
‌IDE 位‌：显性 (0) 为标准帧，隐性 (1) 为扩展帧。
‌DLC‌：4 位编码，表示 0-8 字节数据长度。‌‌‌

二、仲裁机制详解（Arbitration）

原理：

当多个节点几乎同时开始发送时，会发生仲裁过程。
仲裁只发生在发送“标识符 ID”这段期间（帧起始 → 标识符结束）。
ID 越小，优先级越高。仲裁按位进行，当某节点发现总线状态与自己发送的位不一致（它发1，但总线是0），它会立即中止发送，变为监听。

示例：

假设三个节点同时发：

节点	要发送的帧 ID（标准帧 11位）
A	`0x320` → `011 0010 0000`
B	`0x110` → `001 0001 0000` ✅ 胜
C	`0x270` → `010 0111 0000`

逐位对比（从左到右）：

第 1 位：全是 0（显性），继续。
第 2 位：B=0，A=1 → A发现输了，退出
第 3 位：B=1，C=0 → B=1 ≠ 总线=0，B退出？
- 不，实际是 C=1，B=0 → C退出
最终 B 获胜，继续发送，A/C进入监听。

重点：

冲突在仲裁阶段自动解决。
所有节点都实时监听总线上的实际电平（不是“我发了什么”，而是“我看到什么”）。

三、冲突机制详解（Collision）

CAN 中没有传统以太网那样的“碰撞（Collision）”

仲裁阶段解决冲突
不存在两个节点同时完整发帧然后撞上的现象
唯一“可能撞车”的情况是：硬件电气层接线错误造成的非协议级错误

四、错帧机制详解（Error Frame）

CAN 协议定义了五种错误类型。当节点发现错误时，主动发一个错误帧来打断当前通信，通知其他节点“重来一次”。

错误帧结构：

主体为 6～12 个显性位（0）
表示有严重错误，通知所有节点当前帧无效

错误类型：

错误类型	含义
Bit Error	发送的位与检测的总线状态不符（如发送1却检测到总线为0）
Stuff Error	连续发送 6 个相同位（CAN 规定最多5位相同，需插入反位）
CRC Error	CRC 校验失败
Form Error	帧格式非法（如 ACK 槽不是 recessive）
Acknowledge Error	发送帧时接收方未在 ACK 位应答

示例：

节点 A 发帧，节点 B 检测到 CRC 错误
节点 B 立即发送“错误帧” → 主动插入 6 个显性位
所有节点检测到错误帧 → 当前帧作废
节点 A 稍后会自动重发（硬件层重发）

五、监听机制详解（Listening）

普通监听：

所有非发送节点默认都是监听状态
监听期间实时接收并判断是否是“感兴趣的帧”
如果匹配 ID，就触发接收回调（或设置标志位）

静默监听模式（Silent Mode）：

某些测试设备（如监听器）可以配置为只接收不发送
用于协议分析、总线监听等用途

六、综合例子说明仲裁 + 错误帧 + 监听过程

假设你有 3 个 USB-CAN 设备连接：

CAN1：发送 ID 0x300，数据 [11 22 33 44]
CAN2：发送 ID 0x100，数据 [AA BB CC DD]
CAN3：设置为只监听 ID 0x100

过程：

CAN1 和 CAN2 同时发送 → 仲裁阶段发生
ID 比较 → 0x100 < 0x300，CAN2 获胜
CAN1 停止发送，进入监听状态
CAN3 检测到 ID = 0x100，符合接收条件，保存数据 [AA BB CC DD]
CAN2 的帧被 CAN3 正确接收
如果 CAN3 检测到 CRC 错误（比如线缆干扰），它立即发送错误帧（6 个显性位）
所有节点放弃该帧
CAN2 稍后自动重发
CAN3 成功接收新帧并应答 ACK

总结表格

术语	定义	特点或行为
仲裁	通过 ID 优先级解决多主竞争，ID 越小越优先	发送期间动态检测电平，仲裁失败自动退出发送
冲突	传统意义上无冲突，仲裁阶段解决	“冲突”变成了“仲裁失败”
错帧	出现 Bit、CRC、格式等错误时插入显性位打断	所有节点丢弃当前帧，发送方稍后自动重发
监听	非发送节点监听总线，如匹配 ID 则接收	可设置静默模式用于诊断，始终不发送任何电平