CAN通信协议

​
 ​一、基础概念​

• ​物理连接​：
  
  
  
  • TX/RX无需交叉连接（高速CAN默认）
    
  • 采用差分信号传输（抗干扰性强）
    
  
  
• ​通信方式​：
  
  
  
  • 广播式通信：发送方主动广播数据（数据帧）
    
  • 请求式通信：接收方主动请求数据（遥控帧）
    
  • 接收方通过拉低总线电平（显性电平0）确认接收（类似停止位）
    
  
  
• ​关键术语​：
  
  
  
  • ​DLC​：数据长度码（1~8字节）
    
  • ​IDE​：标识符扩展位（0=标准帧11位ID，1=扩展帧29位ID）
    
  • ​RTR​：远程传输请求位（0=数据帧，1=遥控帧）
    
  • ​r0/r1​：保留位（为协议升级预留）
    
  
  

​二、帧类型与结构​
帧类型
用途
​数据帧​
主动广播数据（发送设备→所有设备）
​遥控帧​
请求数据（接收设备→发送设备，无数据段）
​错误帧​
设备检测错误时通知总线（破坏当前通信）
​过载帧​
接收设备未准备好时延缓发送方
​帧间隔​
分隔数据帧/遥控帧与其他帧
​数据帧结构​（标准格式）：
字段
功能
SOF (帧起始)
显性电平0，标志传输开始
ID (标识符)
11位，区分功能并决定优先级（值越小优先级越高）
RTR
0=数据帧
IDE
0=标准帧
DLC
4位，指定数据段长度（0~8字节）
Data
实际数据（0~8字节）
CRC
15位循环冗余校验 + 1位界定符（隐性1）
ACK
发送方发隐性1，接收方拉低为显性0确认
EOF (帧结束)
7位隐性1，标志传输结束
​扩展帧差异​：

• 29位ID（11位基础ID + 18位扩展ID）
  
• 新增SRR位（固定隐性1，保证标准帧优先）
  

​三、核心机制​

• ​非破坏性仲裁​：
  
  
  
  • ​线与特性​：总线显性0覆盖隐性1（0 & x = 0，1 & 1 = 1）
    
  • ​回读机制​：设备发送后回读总线电平，确认是否发送成功
    
  • ​仲裁规则​：
    
    
    
    • 逐位比较ID，显性0优先级高
      
    • ID相同时：数据帧 > 遥控帧，标准帧 > 扩展帧
      
    
    
  
  
• ​位填充规则​：
  
  
  
  • 发送方：连续5个相同电平后插入一个反向电平（填充位）
    
  • 接收方：移除填充位恢复原始数据
    
  • ​作用​：提供定时同步、区分错误帧/过载帧、保持总线活跃
    
  
  
• ​再同步机制​：
  
  
  
  • 位时间划分：同步段(SS) + 传播段(PTS) + 相位缓冲段1(PBS1) + 相位缓冲段2(PBS2)
    
  • 接收方通过调整PBS1/PBS2（±SJW值）对齐采样点
    
  
  

​四、错误处理​

• ​错误类型​：
  

错误类型
触发条件
位错误
发送电平与总线电平不一致
填充错误
连续检测到6个相同电平（违反填充规则）
CRC错误
接收方计算的CRC与帧内CRC不匹配
格式错误
固定格式字段（如界定符、EOF）电平错误
ACK错误
发送方未检测到ACK显性0（无设备接收）

• ​错误状态转换​：
  

状态
行为
​主动错误​
可正常通信，检测错误时发送主动错误帧（破坏总线）
​被动错误​
可正常通信，检测错误时发送被动错误帧（不破坏总线）
​总线关闭​
禁止通信（需检测128次连续11位隐性1恢复）

• ​错误计数器​：
  
  
  
  • ​TEC​（发送错误计数器）：错误发送时增加，成功发送时减少
    
  • ​REC​（接收错误计数器）：接收错误时增加，成功接收时减少
    
  • 状态转换阈值：
    
    
    
    • TEC/REC < 128 → 主动错误
      
    • TEC/REC ≥ 128 → 被动错误
      
    • TEC > 255 → 总线关闭
      
    
    
  
  

​五、物理层特性​

• ​无时钟线​：设备约定波特率，通过位时序同步
  
• ​采样点​：位于数据位中心附近（通过再同步调整）
  
• ​总线空闲​：连续11位隐性1（设备仅此时可发起发送）
  

​六、STM32 CAN外设简介​

• ​特性​：
  
  
  
  • 支持CAN 2.0A/B
    
  • 最高波特率1 Mbps
    
  • 3个发送邮箱（可配置优先级）
    
  • 2个接收FIFO（3级深度）
    
  • 14个过滤器组（互联型28个）
    
  
  
• ​关键功能​：
  
  
  
  • 自动重传控制
    
  • 时间触发通信模式
    
  • 自动离线恢复
    
  • 接收FIFO溢出处理可配置
    
  
  

​关键总结表​
​机制​
​核心规则​
优先级仲裁
ID值小者优先 → 数据帧 > 遥控帧 → 标准帧 > 扩展帧
位填充
连续5相同电平 → 插入1反向电平
总线空闲判定
连续11位隐性1
错误状态切换
TEC/REC ≥ 128 → 被动错误；TEC > 255 → 总线关闭
ACK机制
发送方发1，接收方拉低为0确认
CAN总线仲裁机制示例
下面是一个用C语言实现的简化版CAN总线仲裁模拟程序，配合波形图解释CAN总线的核心机制。
[code]  1 #include   2   3 #include   4   5 #include   6   7 #include   8   9 #include  10  11 // CAN节点结构体 12  13 typedef struct { 14  15 int id; // 节点ID 16  17 bool active; // 节点是否活跃 18  19 int state; // 0:发送显性位, 1:发送隐性位 20  21 int bit_index; // 当前发送的位索引 22  23 char frame[14]; // 要发送的帧（SOF+ID+RTR+IDE+控制段） 24  25 } CAN_Node; 26  27 // 总线状态枚举 28  29 typedef enum { 30  31 RECESSIVE, // 隐性 (逻辑1) 32  33 DOMINANT // 显性 (逻辑0) 34  35 } BusState; 36  37 // 模拟CAN总线 38  39 void simulate_can_bus() { 40  41 // 创建三个节点 42  43 CAN_Node nodes[3]; 44  45  46  47 // 初始化节点 (ID越小优先级越高) 48  49 nodes[0] = (CAN_Node){0x123, true, -1, 0, {0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,1,0,0}}; // ID: 0x123 50  51 nodes[1] = (CAN_Node){0x124, true, -1, 0, {0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0}}; // ID: 0x124 52  53 nodes[2] = (CAN_Node){0x122, true, -1, 0, {0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0}}; // ID: 0x122 (最高优先级) 54  55  56  57 printf("CAN总线仲裁模拟 - 节点ID: 0x%X, 0x%X, 0x%X\n\n", 58  59 nodes[0].id, nodes[1].id, nodes[2].id); 60  61  62  63 BusState bus = RECESSIVE; 64  65 bool arbitration_complete = false; 66  67 int winner_id = -1; 68  69  70  71 // 逐位模拟总线传输 72  73 for (int bit_pos = 0; bit_pos < 14; bit_pos++) { 74  75 // 重置总线为隐性 76  77 bus = RECESSIVE; 78  79  80  81 // 每个节点发送当前位 82  83 for (int i = 0; i < 3; i++) { 84  85 if (nodes.active && bit_pos < strlen(nodes.frame)) { 86  87 // 发送显性位会覆盖隐性位 88  89 if (nodes.frame[bit_pos] == '0') { 90  91 bus = DOMINANT; 92  93 } 94  95 } 96  97 } 98  99 100 101 // 节点检测总线状态102 103 for (int i = 0; i < 3; i++) {104 105 if (nodes.active && bit_pos < strlen(nodes.frame)) {106 107 // 回读机制：比较发送值与总线实际值108 109 if (nodes.frame[bit_pos] == '1' && bus == DOMINANT) {110 111 // 仲裁失败：发送隐性位但读到显性位112 113 nodes.active = false;114 115 printf("位 %2d: 节点 0x%X 仲裁失败\n", bit_pos, nodes.id);116 117 }118 119 }120 121 }122 123 124 125 // 检查仲裁是否完成126 127 int active_count = 0;128 129 for (int i = 0; i < 3; i++) {130 131 if (nodes.active) {132 133 active_count++;134 135 winner_id = nodes.id;136 137 }138 139 }140 141 142 143 // 打印当前总线状态144 145 printf("位 %2d: 总线状态: %s | 发送节点: ",146 147 bit_pos, bus == DOMINANT ? "显性(0)" : "隐性(1)");148 149 150 151 for (int i = 0; i < 3; i++) {152 153 if (nodes.active && bit_pos < strlen(nodes.frame)) {154 155 printf("0x%X:%c ", nodes.id, nodes.frame[bit_pos]);156 157 }158 159 }160 161 printf("\n");162 163 164 165 // 仲裁完成判断166 167 if (!arbitration_complete && active_count == 1) {168 169 printf("\n>>> 仲裁完成! 胜出节点: 0x%X