CAN 帧格式 -- 帧类型、仲裁与位填充

1. CAN 帧类型总览

CAN 协议定义了 4 种帧类型：

数据帧是最常用的帧类型，本教程重点讲解。

2. 数据帧结构详解

一个标准数据帧由以下字段组成：

SOF | 仲裁场 | 控制场 | 数据场 | CRC 场 | ACK 场 | EOF
 1bit | 11/29bit | 6bit | 0-8字节 | 16bit | 2bit | 7bit

2.1 帧起始（SOF, Start of Frame）

• 1 bit 显性电平
• 所有节点通过 SOF 实现位同步
• 表示一帧的开始

2.2 仲裁场（Arbitration Field）

仲裁场包含 CAN ID 和 RTR 位：

• CAN ID：标识报文的身份，数值越小，优先级越高
• RTR（Remote Transmission Request）：
  • 数据帧：RTR = 显性（0）
  • 远程帧：RTR = 隐性（1）

2.3 控制场（Control Field）

2.4 数据场（Data Field）

• 0-8 字节数据
• 这是 CAN 2.0 的硬性限制 —— 最多只能携带 8 字节有效数据
• 字节顺序：高位字节先发送

思考：8 字节的限制对高层协议（如 CANOpen SDO 传输大于 4 字节的数据）有什么影响？答案是：需要分段传输。

2.5 CRC 场（CRC Field）

• 15 bit CRC + 1 bit CRC 定界符
• 用于检测传输错误
• 发送方计算 CRC，接收方验证

2.6 ACK 场（Acknowledgment Field）

• ACK 槽（1 bit）+ ACK 定界符（1 bit）
• 接收方在 ACK 槽位置发送显性电平，表示"我收到了"
• 如果发送方在 ACK 槽读到隐性电平，说明没有节点收到此帧

2.7 帧结束（EOF, End of Frame）

• 7 bit 隐性电平
• 表示一帧的结束

3. 仲裁机制（重点）

3.1 为什么需要仲裁？

当多个节点同时尝试发送时，总线不能冲突。CAN 使用 CSMA/CD+AMP（带仲裁的载波监听多路访问/碰撞检测）机制来解决这个问题。

3.2 仲裁过程

规则：逐位仲裁，ID 越小，优先级越高。

过程图解：

时间 →
节点 A (ID=0x100): 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ...  (发送 0x100)
节点 B (ID=0x200): 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...  (发送 0x200)
─────────────────────────────────────────────
总线实际值:         0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ...  (显性覆盖隐性)
                      ↑
                   节点 B 发送隐性(1)
                   但读到显性(0) → 退出发送

详细步骤：

1. 节点 A 和节点 B 同时开始发送
2. 第 1 位：都是 0（显性），双方都继续
3. 第 2 位：A 发 0（显性），B 发 1（隐性）
4. B 读到 0（显性），但自己发的是 1（隐性） → B 知道有更高优先级的节点在发送 → B 立即停止发送，转为接收模式
5. A 继续完成发送

关键结论：

• ID 值越小，在仲裁中越早赢得总线
• 0x000 是最高优先级（这就是为什么 CANOpen 的 NMT 命令使用 COB-ID 0x000）
• 仲裁过程无延迟、无数据损失 —— 失败的节点自动在下一帧重试

4. 位填充规则

4.1 什么是位填充？

CAN 规定：连续发送 5 个相同电平的位后，自动插入一个相反电平的位。

原始数据:  0 0 0 0 0 0 0 0  (连续 8 个 0)
填充后:    0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0  (每 5 个 0 后插入 1)

4.2 为什么需要位填充？

1. 时钟同步：接收方通过电平跳变来同步时钟，长串相同位会导致失去同步
2. 区分帧边界：SOF 是显性，前面至少有 3 个隐性位（帧间空间），位填充确保数据中不会出现类似 SOF 的长串隐性

4.3 哪些字段需要位填充？

5. CAN ID 与 CANOpen COB-ID 的关系

在纯 CAN 层，只有 CAN ID（11-bit 或 29-bit）。

在 CANOpen 应用层，这个 ID 被称为 COB-ID（Communication Object Identifier），并被赋予了更丰富的语义：

COB-ID 结构（11-bit 标准帧）：

  高 4 bit       |    低 7 bit
  ─────────────────────────────
  功能码         |    节点 ID
  (Function Code)|    (Node ID)

这就是 CANOpen 的核心设计 —— 通过预定义的 COB-ID 分配表，将不同的通信对象映射到不同的 CAN ID 上，利用 CAN 的仲裁机制实现优先级管理。

6. 扩展帧（CAN 2.0B）

扩展帧使用 29-bit 标识符，结构为：

SOF | 11-bit 基 ID | SRR | IDE | 18-bit 扩展 ID | 控制场 | ...

• SRR（Substitute Remote Request）：替代远程请求位，始终为隐性
• IDE（Identifier Extension）：标识符扩展位，扩展帧中为 1

CANOpen 主要使用标准帧（11-bit），因为 2048 个 COB-ID 已经足够大多数应用。

7. 关键知识点总结

★ Insight ─────────────────────────────────────

• CAN 仲裁的优雅之处在于：它不需要额外的时间槽或重传机制，仲裁与数据传输同时进行，失败的节点在第一个不同位就自动退出。
• 8 字节数据限制是 CAN 的核心瓶颈，也是 CAN FD（64 字节）出现的原因。但在 CANOpen 中，这个限制通过 SDO 分段传输得到了巧妙解决。
• COB-ID 的设计体现了"ID 即功能"的思想 —— 不需要额外的协议头来标识报文类型，CAN ID 本身就携带了语义信息。 ─────────────────────────────────────────────────

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