CAN数据帧的标准格式刨析

1. 前言

如图1所示，CAN通信帧的种类主要分为5种，本文主要展开来讲解数据帧的标准格式，数据帧是用于节点向外发送数据的帧。

2. 数据帧标准格式

数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、CRC段和ACK段。

如图2.1所示，数据帧由7个段构成：

（1）帧起始：表示数据帧开始的段。

（2）仲裁段：表示该帧优先级的段。

（3）控制端：表示数据的字节数及保留位的段。

（4）数据段：数据内容，0~8字节。

（5）CRC段：检查帧的传输错误的段。

（6）ACK段：表示确认正常结束的段。

（7）帧结束：表示数据帧结束的段。

2.1. 帧起始

帧起始表示帧开始的段，1个位的显性位。

帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。

拓展：什么是硬同步？

硬同步：接收单元在总线空闲状态检测出帧起始时进行的同步调整。

如下图所示，可以看到当总线出现帧起始信号时，某节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的SS段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了，这个过程就称之为硬同步。

2.2. 仲裁段

仲裁段由12个位构成，是表示数据的优先级的段。

当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息(标识符)，标准格式的ID为11位，在CAN协议中，ID起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。

如图2.3，仲裁段除了报文ID外，还有RTR。RTR 位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。

拓展：CAN总线“线与”特性?

线与规则：总线上只要有一个节点发显性位(0)，总线即为显性所有节点都发隐性位(1)时，总线才为隐性。

情况	节点A	节点B	总线结果	说明
1	0	0	0	正常显性
2	0	1	0	显性优先
3	1	0	0	显性优先
4	1	1	1	共同隐性

若两个节点同时竞争CAN总线的占有权，当它们发送报文时，若首先出现隐性电平，则会失去对总线的占有权，进入接收状态。见下图仲裁过程，在开始阶段，两个设备发送的电平一样，所以它们一直继续发送数据。到了图中箭头所指的时序处，节点单元1发送的为隐性电平，而此时节点单元2发送的为显性电平，由于总线的“线与”特性使它表达出显示电平，因此单元2竞争总线成功，这个报文得以被继续发送出去。

2.3. 控制段

控制段由6个位构成，表示数据段的字节数。

IDE 位(Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。

r0位，在控制段中的r0为保留位，保留位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。

DLC（数据长度码），它由4个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC段表示的数字为0~8。

2.4. 数据段

数据段包含0~8个字节的数据。从最高位（MSB）开始输出。

2.5. CRC段

为了保证报文的正确传输，CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码（CRC的计算范围包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段。），一旦接收节点算出的 CRC码跟接收到的CRC码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。 CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。

在CRC校验码之后，有1个CRC界定符，它为隐性位，主要作用是把CRC校验码与后面的ACK 段间隔起来。