can总线协议完全解析

李玉丽

（吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，吉林长春，130021 ）

摘 要：现场总线的发展与应用引起了传统控制系统结构的改变。控制局域网（C AN）总线因其自身的特点被广泛应用于

自动控制领域。本文对C AN总线协议作了详尽解析。

关键词：C AN总线；隐性位；显性位；节点

中图分类号：T U 85 文献标识码：A

CAN（Cont roll e r A rea N et work）是分布式实时控

制系统的串行通信局域网，称谓CAN总线。在数据

实时传输中，设计独特、低成本，具有高可靠性，得到

广泛应用。

本文着重解析 C AN 技术规范 2.0B 版的 CAN

的分层结构规范和 CAN 报文结构规范。重点在于

充分理解 CAN总线协议精髓，有助于CAN总线的

局网设计、软件编程、局网维护。

一、C AN的分层结构

CAN 遵从O SI

( Ope n Syste m I nte rc onnec ti on

Re fe re nce Mode l

) 模型，其分层结构由高到低如图1

所示。

图1 C AN的分层结构

对应 OSI 模型为两层，实际为三层，即 LLC、

MA C、PL S。由此而知，对应于CAN总线系统每个

节点都是三层结构。数据发送节点数据流为LLC→

MA C→P LS ，然后将数据发送到总线上；而对于挂在

总线上的所有节点（包括发送节点）的接收的数据流

为PL S→MA C→LLC。

这种分层结构的规范保证了 CAN 总线的多主

方式工作模式，即不分主从，非破坏性的仲裁工作模

式。而 LLC 层的报文滤波功能可实现点到点、一点

对多点、全局广播、多点对一点，多点对多点等数据

传递方式。

各分层主要功能如下：

LLC 层：接收滤波、超载通知、恢复管理；

MAC 层：控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出

错标定、故障界定。该层是CAN的核心；

PL S 层：位编码/ 解码、位定时。

二、CAN总线的报文规范

CAN报文的传送有 4 种不同类型的帧结构，数

据帧、远程帧、出错帧、超载帧。CA B2.0B 有4 种帧

格式。

（一）数据帧

数据帧携带由发送节点到接收节点（或发送器

到接收器），由 7 个不同的位场组成：帧起始位、仲裁

场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束。如图

2 所示。

图2 数据帧结构

CAN2.0B 中存在两种不同的帧格式。主要区别

在于标识符的长度。具有11 位标识符的帧称为标

准帧，具有29位标识符的帧称为扩展帧。本文只对

第3 卷第3 期

2008年9 月

长春理工大学学报（高教版）

J ourn a l o f C h a ngc hun U ni v e r s it y of S c i e n ce a ndT ec hno l ogy（H i ghe r E duca ti onE d iti on）

Vol. 3 No. 3

Sep. 2008

* 收稿日期：2008 05 14

作者简介：李玉丽（1973 ），女，本科，实验师，研究方向为智能建筑电气设备远程监控。

标准帧进行解析。

1.帧起始标志位（SOF）

由一个显性位构成，表明某个节点开始发送信

息，所有其它节点必须与此同步（硬同步），但只有在

总线空闲时才允许起始位的发送。

2.仲裁场

（1）仲裁场的组成

仲裁场如图3所示。

图3 仲裁场的组成

标识符为11位，远程发送请求RTR为一个显性

位。

（2）仲裁与优先级

CAN总线的通讯模式为：载波监测、多主掌控/

冲突（CSMA/CA）。这就使得总线上任一个节点向

总线发送信息的机会是均等的。只要总线空闲，谁

都可以发送。但如果在同一时刻有两上或两个以上

节点同时发送信息，这就发生冲突，这就需要仲裁，

而且获得仲裁的信息不受破坏。

CAN是按位进行仲裁。当节点向总线发送信息

同时，也在读取总线的电平。如果发送的电平与读

取的电平相同，则继续发送下一位，若不同则停止发

送，退出竞争。余下的节点继续重复上述过程，直到

总线上只剩下一个节点发送的电平。而在冲突中被

仲裁下的节点，待下一个总线空闲期再次尝试发送。

这种总裁技术明显可以看出，在仲裁帧中，标识

符的二进制数值小者有较高优先级。换句话在诸多

竞争节点中，如果报文标识符的值最小，则此报文的

优先级最高。

3.控制场

控制场如图4所示。

图4 控制场组成

IDE：在CAN2.0B标准格式IDE应为显性（隐性

用r表示）。

r0：保留位。

DLC3~DLC0：数据长度，最大数值为rddd（即隐

显显显）。通常“显性”表示传输0，“隐性”表示传输

1，则最大数据为1000H，即8。

4.数据场

数据场即为被发送的数据，长度为0~8个字节，

取决于控制场中数据长度DL3~DL0。首先发送的

最高有效位。

5.CRC场

CRC场结构如图5所示。

图5 CRC场结构

CRC场由CRC序列和CRC界定符组成，CRC

序列为16位CRC检验码，CRC界定符用于标注

CRC序列的结束，为一位位。CRC检验范围从

帧起始位开始直到数据场结束。其生成多项式为

15

+

14

+

10

+

8

+

7

+

4

+

3

+1。

6.应答场（ACK）

应答场为两位，如图6所示。

图6 应答场组成

在应答场中发送节点送出2个隐性位，所有接

收到匹配CRC序列的节点，在应答间隙发送一个显

示位，以报告发送器接收无误。应答界定符为一个

隐性位。

7.帧结束

由7个隐性位构成，表示一帧内容结束。

（二）远程帧

节点A如果索取B节点的数据时，则由A发送

远程帧，其A节点在仲裁场的标识符应为B节点的

标识符相同。

远程帧由帧起始位、仲裁场、控制场、CRC场、应

答场、帧结束6个场组成。它与数据帧的区别有：①

仲裁场的RTR位为隐性，标识此帧为远程帧；②无数

据场；③控制场中的PLC可为0~8的任意数值，但无

意义。

说明：对于仲裁场、控制场、数据场、CRC场、帧

间空间使用填充技术进行编码，即每5个同状态电

平插入一位与它相补的电平，还原时再予以删除。

（三）出错帧

1.出错帧格式

出错帧由2场组成，如图7所示。

图7 出错帧结构

长春理工大学学报（高教版） 182 第3卷

错误标志具有两种形式：活动错误标识（由6个

显位组成）、认可错误标识（由6个隐位组成）。

当一个节点发出错误帧时，其出错标识为连续6

个显性位或连续6个隐性位。CAN总线规定使用填

充技术的编码不允许连续出现6个同状态电平，某

一节点标识传送后，其它节点由于总线上的连续电

平的出现，破坏帧格式，补发送错误标识，因此错误

标识叠加后占6~12位。各节点在发出错误标识之

后，都在监视总线，当检测到一个隐性位后，再发送7

个隐性位，故错误界定符为8个隐性位。

2.CAN总线的错误类型

CAN总线有5种错误类型、它们互不排斥。

位错误：总线检测出某一位出错。

填充错误：使用填充方法进行编码为报文中，出

现6个连续相同的电平。

CRC错误：CRC值不匹配。

形式错误：固定的位场中出现非法位。

应答错误：在应答间隙，发送节点未检测到显性

位。

当一个节点检测到一个CRC错误时，标识在应

答界定符之后发送，而其它错误在检测出错误的下

一位发送错误标识。

3.CAN总线故障界定及处理

每个CAN总线节点都设有发送出错记数器和

接收出错计数器。发送器送出一个错误标识时，发

送错误计数器加8，接收器检测出一个错误，接收错

误记数器加1或加8，报文成功发送后，发送错误计

数器减1，接报文成功接收后，接收错误计数器减1，

有了如上规定之后，即可定义故障界定：一个节点如

果其错误计数值在1~127（含1、127）则为错误激活

节点；在128~255（含128、255）则为错误认可节点。

错误激活节点检测出错误时，发送活动错误标识。错

误认可节点检测出错误时，发送认可错误标识；当错

误读数值大于或等于256时，总线关闭。错误计数

值大于96时，说明总线被严重干扰。

对于总线关闭的节点，在监测总线上11个连续

隐性位发生128次，则此节点总线启动，成为错误计

数器为零值的错误激活节点。

（四）超载帧

超载帧用于在接收节点未准备好的情况下请求

对数据帧或远程帧延时，由2个位场组成，见图8。

图8 超载帧结构

超载标志及超载界定符与出错帧标识相同，其

引发和处理过程也是一样的。

（五）帧间空间

不管何种帧，均以称之为帧间空间的位场分开，

但超载帧、出错帧之前无帧间空间，如图9所示。

图9 帧间空间结构

间歇场为3个隐位，在此期间不允许启动数据

帧和远程帧。总线空闲周期可以任意长。

参考文献：

［1］李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计［M］.

人民邮电出版社，2006.

［2］史久根，张培仁，陈真勇.CAN现场总线系统设计技术

［M］.国防工业出版社，2004.

［3］求是科技.单片机通讯技术与工程实践［M］.人民邮电出

版社，2005.

TheAnalysisofCANProtocol

Li Yuli

（ElectronicSchool ofJilinArchitectural andCivil EngineeringInstitute，Changchun130021，China）

Abstract：Thedevelopment andapplicationoffieldbuscausedthechangesforthetraditional control system.

Control LAN（CAN）busarewidelyusedinthefieldofautomaticcontrol .becauseoftheirowncharacteristicsThis

papergivesadetailedexplanationtoCANbusprotocol works.

Keywords：CANbus；recessivebit；dominant bit；node

183 李玉丽：CAN总线协议解析 第3期