控制器区域网络 CAN 总线协议图解
控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）总线协议规范正式发布于 1986 年，由德国博世公司为解决汽车电子系统当中，复杂的线束问题而设计。1991 年发布的 CAN 2.0 A/B 规范的推出标志着其开启了标准化的进程。1993 年推出的 ISO 11898 标准进一步巩固了其国际规范地位。伴随汽车电子和工业控制需求的增长，2012 年发布的 CAN FD 进一步提升了带宽与数据长度。而 2020 年发布的 CAN XL 则能够支持更大的数据量传输，从而适应未来的高速场景。
CAN 总线协议发展到今天，已经以其低成本、实时性、高可靠性的优势，成为了一款应用非常广泛的标准化协议。工程技术的最佳学习方式，往往是基于最为直观的理解，而大量的示意图和表格正是化繁为简的利器。本文就将会通过丰富的图片与表格，展示 CAN 总线协议相关的各类技术细节。
CAN 总线发展历程
控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）是一款广泛应用于汽车和工业领域的现场总线协议，由德国博世 BOSCH 公司于 1983 年推出，用于解决汽车电子系统中复杂的线束问题，实现各个电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）之间的可靠通信。
| 特性 | CAN 1.0 | CAN 2.0 | CAN FD | CAN XL |
|---|---|---|---|---|
| 标准 | 博世公司率先发布 | ISO 11898-1:1993/2003 | ISO 11898-1:2015 | ISO 11898-1:2024 |
| 数据长度 | 8 字节 | 8 字节 | 64 字节 | 2048 字节 |
| 通信速率 | 1 Mbit/s |
1 Mbit/s |
2/5/8 Mbit/s |
20 Mbit/s |
| 标识符长度 | 11 位标准格式 |
11/29 位扩展格式 |
同 CAN 2.0 | 同 CAN 2.0 |
| CRC 校验位 | 15 位 | 15 位 | 17/21 位 | 32 位 |
- CAN FD：CAN 灵活数据速率总线（Controller Area Network Flexible Data Rate）；
- CAN XL：CAN 扩展数据域长度总线（Controller Area Network Extended Data-field Length）；
注意：ISO 11898-1 国际标准定义了 CAN 规范的核心部分，即数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）的相关标准。
ISO 11898 标准化规范
ISO 11898 是 ISO 国际标准化组织针对 CAN 总线制定的一系列标准，广泛应用于汽车、工业控制等领域。该系列标准分为多个部分，分别针对不同的 CAN 总线类型和速率：
| 协议部分 | 协议名称 | 英文名称 |
|---|---|---|
| ISO 11898-1 | CAN 数据链路层 | Data Link Layer |
| ISO 11898-2 | 高速 CAN | High-Speed CAN |
| ISO 11898-3 | 低速容错 CAN | Low-Speed Fault-Tolerant CAN |
| ISO 11898-4 | 时间触发 CAN | Time-Triggered CAN |
| ISO 11898-5 | 灵活数据速率 CAN | Flexible Data Rate |
| ISO 11898-6 | 扩展数据域长度 CAN | Extended Data-field Length |
上面表格当中的 ISO 11898-1 主要定义了 CAN 总线的 数据链路层，也就是定义了数据在单个链路上如何进行传输，主要解决了如下几个问题：
- 如何将数据组装为数据块（该数据块就是帧，是数据链路层的基本传送单位）；
- 如何控制帧在物理信道上的传输（包括如何处理传输错误，如何调节发送速率）；
- 提供网络节点之间数据链路的管理（建立、维持、释放）。
注意：许多书籍和资料上提到的 ISO 11519-2 已经于 2006 年被 ISO 11898-3 整合并且取代，成为新的低速容错 CAN 标准。
CAN 总线与 OSI 模型
开放系统互连模型（OSI，Open System Interconnect）由
ISO 国际标准化组织于 1985
年正式制订使用，主要定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），通常也被称作
OSI 参考模型：
CAN 总线规范 ISO 11898 与 OSI 模型的对应关系如下图所示，其中 ISO 11898-1 定义了 CAN 协议的数据链路层（Data Link），而 ISO 11898-2 则是定义了高速 CAN 总线的物理层（Physical）。简而言之，ISO 11898-1 是协议基础，而 ISO 11898-2 是物理层实现：
除此之外，数据链路层还被进一步划分为了媒介访问控制（MAC，Medium Access Control）和逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）两个子层。
CAN 总线的基本拓扑
CAN 总线依赖于 CANH（CAN High）和 CANL（CAN
Low）两根差分信号线进行通信，并且两端分别连接有一枚 120Ω
的端接电阻器，防止信号在 CAN 总线上出现反射干扰：
注意：通常情况下，CAN 总线上的设备节点都会连接到公共的地平面，从而具备有相等的接地电位。
如上图所示，CAN 总线网络采用了阻抗为 120Ω
的闭环总线结构，两端分别连接了一枚 120Ω
的端接电阻，线材方面通常使用的是双绞线。而 CAN
总线上的隐性电平与显性电平的取值范围，分别如下面两个表格所示：
| 隐性电平 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
|---|---|---|---|
| CAN_High | 2.00 V |
2.50 V |
3.00 V |
| CAN_Low | 2.00 V |
2.50 V |
3.00 V |
| 电位差 | -0.5 V |
0 V |
0.05 V |
| 显性电平 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
|---|---|---|---|
| CAN_High | 2.75 V |
3.50 V |
4.50 V |
| CAN_Low | 0.50 V |
1.50 V |
2.25 V |
| 电位差 | 1.5 V |
2.0 V |
3.0 V |
差分信号传输原理
CAN 总线之所以采用差分信号（Differential
Signaling）进行传输，原因在于单端信号（Single-Ended
Signaling）的连接方式容易受到电磁干扰，导致传输线路上出现尖峰电压，致使系统错误的将其判断为高电平
1，从而破坏传输信号的完整性。
例如上面的波形图当中，应当传输的正确信号为
00011000，由于受到尖峰电压的干扰，接收端实际读取到的信号变成了
01011011。而 CAN 总线采用 CANH 和
CANL
两个相位相反，幅值一致的差分信号来传输数据，并且从信号的电位差当中提取有效的电平数据：
\[ V_{有效电平} = V_{CANH} - V_{CANL} \]
例如对于使用 3.3V 电平信号的 CAN
总线，其数据使用显性和隐性两种状态进行传输（这些状态源自于
CANH 和 CANL 两条信号线之间的电位差）：
- 显性状态（Dominant State）：表示逻辑信号
0，此时CANH和CANL之间的电位差约为3.5V - 1.5V = 2V； - 隐性状态（Recessive State）：表示逻辑信号
1，此时CANH和CANL之间的电位差约为2.5V - 2.5V = 0V；
CAN 总线差分信号传输方式的抗干扰能力，主要来源于 CANH 和
CANL
组成的双绞线，它们同时接收到的尖峰电压噪声幅值基本一致。而噪声幅值保持一致的两个信号，其电位差等效于没有受到噪声的干扰，具体请参见下面的示意图：
CAN 总线节点的构成
通常情况下，MCU 微控制器只能产生数字信号，因而需要额外连接一片用于产生差分信号的 CAN 收发器，共同形成一个 CAN 总线节点：
CAN 总线属于异步半双工通信协议，因而 CAN
收发器通常携带有 TXD（数据发送）和
RXD（数据接收）两个引脚，用于与 MCU
微控制器交换数据，并将单端的 TXD/RXD 数字信号转换为差分的
CANH/CANL 信号：
CAN 收发器 芯片的额定工作电压通常为
5V，在与工作电压同样为 5V 的 MCU
微控制器协同工作的时候，双方都可以通过 5V 的
LDO 或者 DC-DC
电源进行供电，并且两者需要形成共地连接：
如果 MCU 微控制器的额定工作电压为 3.3V，
那么就必须分别采用两颗 3.3V 和 5V
的电源进行供电，并且两者依然需要形成共地连接关系：
速率单位 MB/s 与 Mbps
兆字节每秒（MB/s，Megabytes Per Second）和 兆比特每秒（Mbps 或 Mbit/s，Megabits Per Second）都是用于衡量数据传输速率的单位：
1 MB/s表示每秒传输1百万个字节Bytes 的数据。1 Mbps表示每秒传输1百万个比特位bits 的数据。
根据 1 Byte = 8 Bits，可以将 MB/s 与
Mbps 的换算关系联立为如下的推导公式：
\[ 1 Byte = 8 Bits \implies \begin{cases} 1 MB/s = 8 Mbps \\ 1 Mbps = 0.125 MB/s \end{cases} \]
注意：大写的
B通常用于表示字节Byte，而小写的b则通常用来表示比特位bit。
通信帧类型的划分
CAN
总线协议当中的帧类型，主要用于区分不同用途的数据传输格式。CAN
总线协议存在有
数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔
五种帧（Frame）类型，其中 数据帧 和
遥控帧
拥有标准和扩展两种格式（标准格式拥有
11 位标识符，扩展格式拥有 29 位的标识符）：
- 数据帧：用于
发送单元向接收单元传送数据。 - 远程帧：用于
接收单元向具有相同标识符的发送单元请求数据。 - 错误帧：用于在检测出错误的时候，向其它单元通知错误。
- 过载帧：用于
接收单元通知其尚未做好接收准备。 - 帧间隔：用于分离
数据帧、遥控帧与其它的帧。
CAN
总线协议当中的标识符，在许多英文资料的原文当中被称为
ID，也就是英文 Identifier
的缩写形式。在接下来的内容里，我们将会分门别类、图文并茂的介绍这五种帧类型。
注意：技术资料当中经常提到的报文是指通信总线上传输的完整信息单元，而帧则主要是指报文在物理层面上的传输格式。
帧类型 - 数据帧
CAN 总线网络里的数据帧（Data Frame），主要由如下图所示的 7 个信号片段所构成：
- 帧起始段：表示数据帧开始的段。
- 仲裁段：表示该数据帧优先级的段。
- 控制段：表示数据的字节数以及保留位的段。
- 数据段：数据携带的具体内容，可以发送
0~8个字节的数据。 - CRC 段：用于检查数据帧传输错误的段。
- ACK 段：用于确认正常接收的段。
- 帧结束段：表示数据帧结束的段
帧起始段
帧起始指的是帧最开始的一位，也被称为
SOF（Start of Frame），帧起始总是为显性位
0，表示 CAN_H 和 CAN_L
上面存在了电位差，即总线上一旦出现 SOF 就表明有报文出现。
CAN 总线上总是存在有 显性电平（逻辑
0）和 隐性电平（逻辑
1）两种信号：
- 显性状态（Dominant [ˈdɑːmɪnənt]）：相当于逻辑电平
0，即本文示例图片当中的英文标识D； - 隐性状态（Recessive [rɪˈsesɪv]）：相当于逻辑电平
1，即本文示例图片当中的英文标识R；
注意：只要有一个单元输出显性电平，CAN 总线就会表现为显性电平。只有当所有单元都输出隐性电平，CAN 总线才会表现为隐性电平。
仲裁段
仲裁段用于判定帧的优先级，标准格式和扩展格式在仲裁段的构成有所不同。其中，标准格式拥有
11 位标识符，而扩展格式则拥有
29
位标识符（11位基本标识符 + 18位扩展标识符）：
标准格式当中的远程传输请求位（RTR，Remote
Transmission Request）同样是 CAN 总线数据帧 仲裁段
的组成部分，主要用于区分数据帧和远程帧，其状态决定了当前帧是用于
发送数据 还是 请求数据。
注意：标准格式的 11 位标识符，以及扩展格式的 11 位基本标识符，都禁止仲裁段的高 7 位全部为隐性的逻辑
1，即禁止被设定为ID = 1111111XXXX。
控制段
控制段用于表达数据段的字节长度，主要由 6 个位构成（2 个保留位，4 个数据长度位），标准格式和扩展格式在控制段的构成也有所不同：
上图当中的保留位 r0 和 r1
两个位必须全部以显性电平（逻辑
0）发送。而数据长度码（DLC，Data Length
Code）则由四个位构成，其与数据段字节长度的对应关系如下面表格所示：
| 数据段长度 | 数据长度码第 3 位 | 数据长度码第 2 位 | 数据长度码第 1 位 | 数据长度码第 0 位 |
|---|---|---|---|---|
| 0 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
| 1 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
| 2 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
显性 D（逻辑
0） |
| 3 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
隐性 R（逻辑
1） |
| 4 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
| 5 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
| 6 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
隐性 R（逻辑
1） |
显性 D（逻辑
0） |
| 7 字节 | 显性 D（逻辑
0） |
隐性 R（逻辑
1） |
隐性 R（逻辑
1） |
隐性 R（逻辑
1） |
| 8 字节 | 隐性 R（逻辑
1） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
显性 D（逻辑
0） |
注意：数据段的有效字节长度只有
0 ~ 8个字节，但是接收方并不会将9 ~ 15的值视为错误。
数据段
数据段可以存放 0 ~ 8
个字节的数据（长度由控制段中的数据长度码进行标识），数据传输时遵循高位优先的原则：
CRC 段
CRC 段主要是由 15 位的 CRC
计算值，和 1 位的 CRC
界定符构成：
CAN 总线引入了循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy
Check）来检测传输错误，收发双方通过核对基于
帧起始、仲裁段、控制段、数据段
计算得到 CRC 值来检测数据传输错误。
ACK 段
ACK 段用来确认是否正常接收（通过
接收单元 发送，而 发送单元 无需发送），主要由
1 位的 ACK 槽（ACK Slot）和 1 位的 ACK
界定符（ACK Delimiter）共同组成：
ACK 是英文
Acknowledgment（应答信息）的缩写形式，顾名思义，主要是用于确认数据帧、遥控帧是否被至少一个
CAN 总线节点正确接收（不存在
填充错误、格式错误、CRC 校验错误）。
帧结束段
帧结束段（EOF，End of
Frame）用于表示数据帧结束， 用于标识一个
数据帧、遥控帧 的结束，从而确保 CAN
总线恢复到空闲状态，其值固定为 7 位 隐性位（逻辑
1），就也就连续的 7 个 1（也就是
1111111）。
帧类型 - 远程帧
远程帧（Remote Frame）用于在 CAN 总线网络当中请求数据，远程帧主要由如下 6 个信号片段组成（相比于前面介绍的数据帧，两者最大的区别在于远程帧没有数据段）:
- 帧起始段：表示数据帧开始的段。
- 仲裁段：表示该数据帧优先级的段。
- 控制段：表示数据的字节数以及保留位的段。
- CRC 段：用于检查数据帧传输错误的段。
- ACK 段：用于确认正常接收的段。
- 帧结束段：表示数据帧结束的段
对于远程帧与没有 数据段
的数据帧（可用于各节点之间的心跳连接，或者其
仲裁段
就携带着有效信息），可以通过远程帧当中的远程传输请求位
RTR 进行区分，远程帧的 RTR
位总是保持为隐性（逻辑
1）。除此之外，由于远程帧没有数据段，所以其控制段当中的
数据长度码 需要以其所请求的数据帧的 数据长度码
进行表示。
帧类型 - 错误帧
CAN 总线的错误帧（Error Frame）用于在检测到错误时通知其它节点，并且触发错误恢复机制。错误帧主要由错误标志（Error Flag）和错误界定符（Error Delimiter）两部分组成：
- 错误标志：包含主动错误标志（由 6
个显性位逻辑
0组成）和被动错误标志（由 6 个隐性位逻辑1组成）两种类型（具体取决于节点的错误状态属于主动还是被动）。 - 错误界定符：由 8 个隐性位逻辑
1组成，用于标识该错误帧结束。
帧类型 - 过载帧
过载帧（Overload Frame）是 CAN 总线协议当中，用于处理节点接收过载（无法及时处理数据）的一种机制，过载帧由 过载标志（Overload Flag）和 过载界定符（Overload Delimiter）两部分组成：
- 过载标志：用于标识当前节点出现过载，由 6
个显性位逻辑
0组成。 - 过载界定符：用于标识当前节点出现过载，由 8
个隐性位逻辑
1组成。
注意：过载帧的结构与错误帧类似，但是各自的触发条件与用途不同。
帧类型 - 帧间隔
帧间隔（Inter Frame Space）用于分隔
数据帧 和
远程帧，即将本帧与前面的其它帧分隔开来（过载帧和错误帧前面，不能插入帧间隔），从而确保前一帧完全结束（此时可以认为总线空闲）。帧间隔由
3 个隐性位（逻辑 1）组成（即
111），位于帧结束段（EOF）之后。
优先级仲裁机制
当 CAN
总线网络空闲的时候，最先发送消息的节点优先级更高。多个节点同时发送数据时，每个节点的发送单元会从仲裁段的第
1 位开始逐位进行仲裁，连续输出显性电平（逻辑
0）最多的节点，所发送数据的优先级更高。
CAN 总线的优先级仲裁机制基于非破坏性逐位仲裁（Bitwise Arbitration）进行判断，确保高优先级报文在总线冲突时无损传输。
控制器区域网络 CAN 总线协议图解
