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這篇文章是將一文搞懂CAN總線協議幀格式和一文搞懂CAN FD總線協議幀格式兩篇文章的整合，方便各位朋友學習和查閱。
CAN總線上傳輸的信息稱為報文，當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發送新的報文。
CAN通信是通過以下5種類型的幀進行的：
數據幀?
遙控幀?
錯誤幀?
過載幀?
幀間隔
另外，數據幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有 11 個位的標識符（Identifier: 以下簡稱 ID）， 擴展格式有 29 個位的 ID。
幀起始：表示數據幀開始的段；
仲裁段：表示該幀優先級的段，根據仲裁段ID碼長度的不同，分為標準幀（CAN 2.0A）和擴展幀（CAN 2.0B）；
控制段：表示數據的字節數及保留位的段；
數據段：數據的內容，可發送0~8個字節的數據；
CRC段：檢查幀的傳輸錯誤的段；
ACK段：表示確認正常接收的段；
幀結束：表示數據幀結束的段。
1、CAN數據幀
1.1、幀起始
幀起始由1個顯性位組成?？偩€空閑時，發送節點發送幀起始，其他接收節點同步于該幀起始位。
總線上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。
總線上執行邏輯上的線“與”時，顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。
“顯性”具有“優先”的意味，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平。（顯性電平比隱性電平更強。）
1.2、仲裁段
仲裁段用于寫明需要發送到目的CAN節點的地址、確定發送的幀類型（當前發送的是數據幀還是遙控幀），并確定發送的幀格式是標準幀還是擴展幀。
仲裁段在標準格式幀和擴展格式幀中有所不同。標準格式幀的仲裁段由11位標識符和遠程發送請求位RTR組成，擴展格式幀的仲裁場由29位標識符和遠程發送請求位RTR組成。
1.2.1、標準數據幀
標準數據幀基于早期的CAN規格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。
CAN標準幀幀信息是11字節，包括幀描述符和幀數據兩部分。如下表所列：
前3字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時實際的數據長度。
標準數據幀的 ID 有 11 個位。從 ID10?到 ID0?依次發送。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。
字節2~3為報文識別碼，其高11位有效。
字節4~11為數據幀的實際數據，遠程幀時無效。
1.2.2、擴展數據幀
CAN擴展幀幀信息是13字節，包括幀描述符和幀數據兩部分，如下表所示：
前5字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時實際的數據長度。
擴展格式的 ID 有 29 個位?；?ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示?；?ID 和 標準格式的 ID 相同。禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。
字節2~5為報文識別碼，其高28位有效。
字節6~13為數據幀的實際數據，遠程幀時無效。
1.3、控制段
控制段由6個位組成，包括數據長度代碼和兩個將來作為擴展用的保留位，標準格式和擴展格式的構成有所不同。
數據長度代碼指示了數據段中的字節數量。數據長度代碼為4個位，在控制段里被發送，數據幀長度允許的字節數為0、1、2、3、4、5、6、7、8，其他數值為非法的。
保留位（r0、r1）必須全部以顯性電平發送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。
數據長度碼（DLC）與數據的字節數的對應關系如下表所示：
數據的字節數必須為 0~8 字節，但接收方對 DLC = 9~15 的情況并不視為錯誤。
1.4、數據段
數據段由數據幀中的發送數據組成，它可以為0~8字節，每字節包含了8位，首先發送最高有效位MSB，依次發送至最低有效位LSB。
1.5、CRC段
CRC段是檢查幀傳輸錯誤的幀，包括：15 個位的 CRC序列（CRC SEQUENCE）和1 個位的CRC界定符（CRC DELIMITER）構成。
CRC序列是根據多項式生成的 CRC 值，CRC 的計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數據 段。接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進行比較，不一致時會通報錯誤。
1.6、ACK段
ACK段用來確認是否正常接收。由 ACK 槽（ACK SLOT）和 ACK 界定符（ACK DELIMITER）2 個位構成。
發送單元在 ACK 段發送 2 個位的隱性位。當接收器正確地接收到有效的報文時，接收器就會在應答間隙（ACK SLOT）期間（發送ACK 信號）向發送器發送一個“顯性”的位以示應答，通知發送單元正常接收結束，這稱作“發送 ACK”或者“返回 ACK”。
發送 ACK/返回 ACK是在既不處于總線關閉態也不處于休眠態的所有接收單元中，接收到正常消息的單元 （發送單元不發送 ACK）。所謂正常消息是指不含填充錯誤、格式錯誤、CRC 錯誤的消息。
1.7、幀結束
幀結束是由每一個數據幀和遠程幀的標志序列界定的，這個標志序列由7個“隱性”位組成。
2、CAN標準數據幀和擴展數據幀
CAN協議可以接收和發送11位標準數據幀和29位擴展數據幀，CAN標準數據幀和擴展數據幀只是幀ID長度不同，以便可以擴展更多CAN節點。
2.1、標準數據幀
標準數據幀基于早期的CAN規格（1.0和2.0A版），使用了11位的識別域。
CAN標準幀幀信息是11字節，包括幀描述符和幀數據兩部分。如下表所列：
前3字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在標準幀中FF=0，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時實際的數據長度。
標準數據幀的 ID 有 11 個位。從 ID10 到 ID0 依次發送，可以出現2^11種報文，幀ID的范圍是：000-7FF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX）。
字節2~3為報文識別碼，其高11位有效。
字節4~11為數據幀的實際數據，遠程幀時無效。
2.2、擴展數據幀
CAN擴展幀幀信息是13字節，包括幀描述符和幀數據兩部分，如下表所示：
前5字節為幀描述部分。字節1為幀信息，第7位（FF）表示幀格式，在擴展幀中FF=1，第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數據幀，RTR=1表示為遠程幀。DLC表示在數據幀時實際的數據長度。
擴展格式的 ID 有 29 個位，基本 ID 從 ID28 到 ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示，基本 ID 和 標準格式的 ID 相同，可以出現2^29種報文，且在數據鏈路上是有間隙的（對操作者透明），幀ID的范圍是0000 0000-1FFF FFFF，禁止高 7 位都為隱性（禁止設定：基本 ID=1111111XXXX）。
字節2~5為報文識別碼，其高28位有效。
字節6~13為數據幀的實際數據，遠程幀時無效。
2.3、標準數據幀和擴展數據幀的特性
CAN標準數據幀和擴展數據幀只是幀ID長度不同，功能上都是相同的，它們有一個共同的特性：幀ID數值越小，優先級越高。
3、CAN遙控幀
3.1、遙控幀格式
遙控幀是接收單元向發送單元請求發送數據所用的幀，遙控幀由 6 個段組成，遙控幀沒有數據段。
遙控幀的構成如下所示：
幀起始（SOF）：表示幀開始的段；
仲裁段：表示該幀優先級的段?？烧埱缶哂邢嗤?ID 的數據幀；
控制段：表示數據的字節數及保留位的段；
CRC 段：檢查幀的傳輸錯誤的段；
ACK 段：表示確認正常接收的段；
幀結束：表示遙控幀結束的段。
遙控幀格式如下圖所示：
3.2、數據幀和遙控幀的區別
數據幀和遙控幀主要有兩點區別：
遙控幀沒有數據幀的數據段；
遙控幀RTR位是隱性，RTR位的極性表示了所發送的幀是數據幀（RTR位“顯性”）還是遠程幀（RTR位“隱性”）。
所以，沒有數據段的數據幀和遙控幀可通過 RTR 位區別開來。
4、CAN錯誤幀
4.1、錯誤幀格式
錯誤幀由錯誤標志（Error Flag）和錯誤界定符（Error Delimiter）組成。
接收節點發現總線上的報文有錯誤時，將自動發出活動錯誤標志，它是6個連續的顯性位。其他節點檢測到活動錯誤標志后發送錯誤認可標志，它由6個連續的隱性位組成。由于各個接收節點發現錯誤的時間可能不同，所以總線上實際的錯誤標志可能由6~12個顯性位組成。
錯誤界定符由 8 個位的隱性位構成。當錯誤標志發生后，每一個CAN 節點監視總線，直至檢測到一個顯性電平的跳變。此時表示所有的節點已經完成了錯誤標志的發送，并開始發送8個隱性電平的界定符。
如下所示：
4.2、主動錯誤標志和被動錯誤標志
錯誤標志包括主動錯誤標志和被動錯誤標志兩種。
主動錯誤標志：處于主動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志，6 個位的顯性位；
被動錯誤標志：處于被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志，6 個位的隱性位。
4.3、錯誤幀種類
錯誤幀共有 5 種，多種錯誤可能同時發生，種類如下所示：
位錯誤
填充錯誤
CRC 錯誤
格式錯誤
ACK 錯誤
錯誤的種類、錯誤的內容、錯誤檢測幀和檢測單元如下表所示：
重點聊一聊位錯誤和格式錯誤。
位錯誤特性如下所示：
位錯誤由向總線上輸出數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀的單元和輸出 ACK 的單元、輸出錯誤的單元來檢測；
在仲裁段輸出隱性電平，但檢測出顯性電平時，將被視為仲裁失利，而不是位錯誤；
在仲裁段作為填充位輸出隱性電平時，但檢測出顯性電平時，將不視為位錯誤，而是填充錯誤；
發送單元在 ACK 段輸出隱性電平，但檢測到顯性電平時，將被判斷為其它單元的 ACK 應答，而非位錯誤；
輸出被動錯誤標志（6 個位隱性位）但檢測出顯性電平時，將遵從錯誤標志的結束條件，等待檢測出連續相同 6 個位的值（顯性或隱性），并不視為位錯誤。
格式錯誤特性如下所示：
即使接收單元檢測出 EOF（7 個位的隱性位）的最后一位（第 8 個位）為顯性電平，也不視為格式錯誤；
即使接收單元檢測出數據長度碼（DLC）中 9～15 的值時，也不視為格式錯誤。
發送單元發送完錯誤幀后，將再次發送數據幀或遙控幀，
5、CAN過載幀
過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀，過載幀由過載標志和過載界定符構成。
過載標志由6個位的顯性位組成，過載標志的構成與主動錯誤標志的構成相同。
過載標志其形式破壞了間歇場的固定格式，結果使其他所有節點也檢測到了一個出錯狀態，就都各自送出一個超載標志。
過載界定符由8個位的隱性位組成，過載界定符的構成與錯誤界定符的構成相同。過載標志發送完畢后，每個節點都對總線進行監察，直到檢測到一個隱性位為止。此時，每個節點均已發送完各自的過載標志，接著所有節點還要同時開始發送7個隱性位，配齊長達8位的過載界定符。
6、CAN幀間隔
幀間隔是用于分隔數據幀和遙控幀的幀。數據幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開，過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。
間隔段：間歇由3個隱性位構成。在間歇期間，不允許任何節點發送數據幀或遠程幀。唯一可以執行的操作是通報超載狀態；
總線空閑段：總線空閑時間長短不限?？偩€一經確認處于空閑狀態，則任何節點都可以訪問總線來傳送信息。因另一幀正在傳送而延期發送的幀是從間歇之后的第一位開始送出的。通過對總線進行檢測，出現在總線空閑期間的顯性位將被認為是幀起始；
延遲傳送段：處于錯誤認可狀態的節點完成其發送動作后，在被允許發送下一幀以前，它要在間歇之后送出8個隱性位。如果間歇期間執行了（由另一個節點引起的）發送動作，此節點將會變成正被發送的幀的接收器。
為什么會出現CAN FD？
隨著總線技術在汽車電子領域越來越廣泛和深入的應用，特別是自動駕駛技術的迅速發展，汽車電子對總線寬度和數據傳輸速率的要求也越來也高，傳統CAN（1MBit/s，8Bytes?Payload）已難以滿足日益增加的需求。
因此在2012年，Bosch發布了新的CAN FD標準 (CAN with Flexible Data Rate) ，CAN FD繼承了CAN的絕大多數特性，如同樣的物理層，雙線串行通信協議，基于非破壞性仲裁技術，分布式實時控制，可靠的錯誤處理和檢測機制等，同時CAN FD彌補了CAN在總線帶寬和數據長度方面的不足。
2015年6月30日，國際標準化組織（ISO）已經正式認可CAN?FD，并無反對票通過ISO 11898-1作為國際標準草案。
8、什么是CAN FD？
CAN FD協議是由Bosch以及行業專家預研開發的，并于2012年發布。通過標準化對其進行了改進，現已納入ISO 11898-1:2015。一開始的Bosch CAN FD版本（非ISO CAN FD）與ISO CAN FD是不兼容。
CAN FD具有以下4個主要優點：
1、增加了數據的長度
CAN FD每個數據幀最多支持64個數據字節，而傳統CAN最多支持8個數據字節。這減少了協議開銷，并提高了協議效率。
2、增加傳輸的速度
CAN FD支持雙比特率：與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率。
3、更好的可靠性
CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。這在汽車和工業自動化等安全攸關的應用中至關重要。
4、平滑過渡
在一些特定的情況下CAN FD能用在僅使用傳統CAN的ECU上，這樣就可以逐步引入CAN FD節點，從而為OEM簡化程序和降低成本。
實際上，與傳統CAN相比，CAN FD可以將網絡帶寬提高3到8倍，從而為數據的增長提供了一種簡單的解決方案。
9、CAN FD和CAN總線協議幀異同
CAN FD和CAN總線協議幀格式如下所示：
CAN FD和CAN總線協議幀不同點如下所示：
1、傳輸速率不同
CAN FD的速率可變，從控制場中的BRS位到ACK場之前（含CRC分界符）為可變速率，最高速率可達到8Mbps，其他部分與CAN相同。
2、數據長度不同
CAN FD支持的最大數據長度為64byte，CAN支持的最大數據長度為8byte。
3、幀格式不同
CAN FD新增了FDF、BRS、ESI位：
FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r。表示 CAN 報文還是 CAN-FD 報文，FDF 位常為隱性（1），表示 CAN FD 報文；
BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉換，當 BRS 為顯性位（0）時數據段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當 BRS 為隱性位（1）時速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉換速率傳輸）；
ESI 位（Error State Indicator）：發送節點錯誤狀態指示，主動錯誤時發送顯性位（0），被動錯誤時發送隱性位（1）。
4、ID長度不同
CAN FD標準幀ID長度可擴展至12bit，CAN的標準幀ID為11bit。
10、解析CAN FD幀結構
CAN FD節點可以正常收、發CAN報文，但CAN節點不能正確收、發CAN FD報文，因為其幀格式不一致。
與CAN一樣，CAN FD一共具有：幀起始，仲裁段，控制段，數據段，CRC段，ACK段和幀結束，7部分組成。
10.1、幀起始
CAN與CANFD使用相同的SOF標志位來標志報文的起始。幀起始由1個顯性位構成，標志著報文的開始，并在總線上起著同步作用。
10.2、仲裁段
與CAN不同，CAN FD取消了對遠程幀的支持，用RRS位替換了RTR位，為常顯性。IDE用于區分標準幀和擴展幀。
10.3、控制段
CAN FD與CAN有著相同的IDE、res和DLC位，同時增加了FDF、BRS、ESI三個bit位。
FDF 位（Flexible Data Rate Format）：原 CAN 數據幀中的保留位 r。表示 CAN 報文還是 CAN-FD 報文，FDF 位常為隱性（1），表示 CAN FD 報文；
BRS 位（ Bit Rate Switch）：表示位速率轉換，當 BRS 為顯性位（0）時數據段的位速率與仲裁段的位速率一致（恒定速率），當 BRS 為隱性位（1）時速率可變（即 BSR 到 CRC 使用轉換速率傳輸）；
ESI 位（Error State Indicator）：發送節點錯誤狀態指示，主動錯誤時發送顯性位（0），被動錯誤時發送隱性位（1）。
10.4、數據段?
CAN FD兼容CAN的數據格式，同時最大還能支持：12、16、 20、 24、 32、 48和64byte。
像在傳統CAN中一樣，CAN FD DLC是4位，表示幀中數據字節的數量。為了維持4位DLC，CAN FD使用從9到15的其余7個值來表示所使用的數據字節數（12、16、20、24、32、48、64）。
10.5、CRC段
傳統CAN中的循環冗余校驗（CRC）為15位，而在CAN FD中為17位（最多16個數據字節）或21位（20-64個數據字節）。在傳統CAN中，CRC中可以包含0到3個填充位，而在CAN FD中，總是有四個固定填充位以提高通信可靠性。
10.6、ACK段
ACK緊跟著CRC結束標識位。不同的是，CAN FD支持2bits的ACK的識別。
10.7、幀結束
與CAN一樣，CAN FD的幀結尾也為連續7位的隱性位。
11、CAN?FD的改進
CAN FD采用了兩種方式來提高通信的效率：一種方式為縮短位時間提高位速率；另一種方式為加長數據場長度減少報文數量降低總線負載率。
CAN FD在 CRC 校驗段采用了三種多項式來保證高速通訊下的數據可靠性。
1、縮短位時間提高位速率
CAN FD支持雙比特率，與傳統CAN一樣，標稱（仲裁）比特率限制為1 Mbit/s，而數據比特率則取決于網絡拓撲/收發器。實際上，可以實現高達5 Mbit/s的數據比特率。
從控制段中的 BRS 位到 ACK 段之前（含 CRC 分界符）為可變速率，其余部分為原 CAN 總線用的速率。兩種速率各有一套位時間定義寄存器，它們除了采用不同的位時間單位 TQ 外，位時間各段的分配比例也可不同。
2、加長數據段長度減少報文數量降低總線負載率
CAN FD每個數據幀最多支持64個數據字節，而傳統CAN最多支持8個數據字節，這減少了協議開銷，并提高了協議效率。
DLC 最大支持 64 個字節，在 DLC 小于等于 8 時與原 CAN 總線是一樣的，大于 8 時則有一個非線性的增長，最大的數據場長度可達 64 字節。如下所示為 DLC 數值與字節數的非線性對應關系。
3、CRC校驗段
CAN FD使用改進的循環冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數器”，由于 DLCs 的長度不同，在 DLC 大于 8 個字節時，CAN FD選擇了兩種新的 BCH 型 CRC 多項式，從而降低了未被檢測到的錯誤的風險。
12、如何從傳統的CAN升級到CAN FD
盡管 CANFD 繼承了絕大部分傳統 CAN 的特性，但是從傳統 CAN 到 CANFD 的升級， 我們仍需要做很多的工作。
1、在硬件和工具方面，要使用 CANFD，首先要選取支持 CANFD 的 CAN 控制器和收發器，還要選取新的網絡調試和監測工具。
2、在網絡兼容性方面，對于傳統 CAN 網段的部分節點需要升級到 CANFD 的情況要特別注意，由于幀格式不一致的原因，CANFD 節點可以正常收發傳統 CAN 節點報文，但是傳統 CAN 節點不能正常收發 CANFD 節點的報文。
CAN FD 協議是 CAN-BUS 協議的最新升級，將 CAN 的每幀 8 字節數據提高到 64 字節，波特率從最高的 1Mbps 提高到 8-15Mbps，使得通訊效率提高 8 倍以上，大大提升了車輛的通訊效率。
此項技術一直被歐美企業壟斷，直至 2016 年，中國 CAN-BUS 領導者—廣州致遠電子股份有限公司，基于擁有完全知識產權的 CAN FD IP 核代碼，研制出中國第一款 CAN FD 接口卡，使中國的總線技術水平與世界最高水平同步。
編輯：黃飛
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工商網監
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