本文力求以图文并茂来接好CAN通讯协议的基础知识，希望能给有兴趣的朋友带来一些收获。
为了便于大家理解与接受，请先看一幅图：
图1 电话会议
简单地讲CAN总线就如上图1中两根粗黄线，其通讯原理：好比开一个电话会议，大家都拨进来了，这时会议的状态可能是：
- 一人说，其他人听；
- 两人甚至多人同时开口了，但只会让另一人说，其他人听；
- 一人要求另一人说；
- 有人睡着了，掉线了，电话卡顿了... ...
针对于上述各种情况，要保证这个电话会议的有序高效地进行，那么我们需要有一些约定俗成的规定或协议，大家都遵守。CAN总线通讯与这种电话会议形式有异曲同工之处，那么CAN总线通讯到底具体是怎么回事？接下来将以理论与实践相结合方法来介绍CAN通讯协议。
第1部分 概览
感谢前人引路，激励后人前行，先简要引自： 控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由 德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于 汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域。随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出了更严格的要求。 1991年CAN总线技术规范（Version2.0）制定并发布。该技术规范共包括A和B两个部分。其中 2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。
1.1 CAN总线架构简介
CAN总线是一种用于在不同的ECU（电子控制单元）之间传输数据的线，CAN总线协议是一种ISO 国际标准化的串行通信协议，有 ISO-11898 和 ISO-11519两个系列。其定义有：
- ISO-11898 定义了通信速率为 125 kbps ~1Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度 ≤ 40米，如图2。
- ISO11519 定义了通信速率为 10～125 kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米，如图2。
图2 两类CAN总线（引自[1]）
高速CAN和低速CAN广泛应用于汽车总线，如下图3。
图3 两类CAN总线应用在汽车(引自[2])
CAN总线终端电阻的作用？为什么是120Ω？为什么是0.25W？
CAN通讯速率(位速率)与CAN总线长度的关系大致如下图。
以上介绍了高低速CAN两种总线架构的基本概念，接下来具体看看这两种CAN总线。
1.2 CAN总线结构信息
将上图2细化，我们可以看到两种CAN总线结构都有CAN_H，CAN_L两根线和多个节点。其中CAN_H和CAN_L线是以双绞形式缠绕，每个节点都有CAN收发器（transceiver）和CAN控制器（controller），CAN收发器和CAN控制器可能集成在芯片（on-chip），也可能是独立于芯片(off-chip)。（图3列举了两种CAN收发器--TJA1054和82C250）
图4 两类CAN总线（引自[3]）
图6 双绞线形式（提高抗干扰能力，引自附1）
附1: CAN总线抗干扰的6条“军规”zhuanlan.zhihu.com/p/26
1.3 CAN总线信号
CAN总线上，信号表现为电压形式，通过CAN_H和CAN_L线上的电位差来表示CAN信号，分为显性电平(dominant)和隐性电平(recessive)两种类型。其中显性电平规定为逻辑0，隐性电平则为逻辑1。其具体定义可通过下图来理解。
图7 ISO-11898 (高速CAN）和ISO-11519（低速CAN）的CAN信号定义（引自[3]）
具体说，如上图第1幅图：当CAN_H和CAN_L的电压均为2.5v，两者电压差为0，就规定CAN信号为隐性电平；当CAN_H的电压为3.5v，CAN_L的电压为1.5v，两者电压差为2V，就规定CAN信号为显性电平。这里实际的规定是：电压差满足定义的一定范围，就可以认为是显性电平或者隐性电平，比如电压差在1.5-2.5v范围，都认为是显性电平。
为了加深理解，看了一段实际采集的电压形式的CAN信号：
图8 高速CAN总线实际电压状态
1.4 CAN信号传输
上述的电位差（差分电平）与逻辑电平由CAN收发器实现。在发送过程，CAN控制器将CPU传来的信号转换为逻辑电平。CAN收发器接收逻辑电平之后，再将其转换为差分电平输出到CAN总线上。
图9 CAN信号发送（引自3）
在接收过程，CAN收发器将CAN_H 和 CAN_L 线上传来的差分电平转换为逻辑电平输出到CAN控制器，CAN控制器再把该逻辑电平转化为相应的信号发送到CPU上。
图10 CAN信号接收（引自3）
通俗地讲，就是发送方通过CAN收发器使总线电平发生变化，将其信息传递到CAN总线上。接收方通过监听总线电平，将总线上的消息读入自己的CAN收发器。
由上可知：CAN总线有2种架构，CAN信号有2种形式，CAN信号发送和接收2个过程。
第2部分 CAN总线特性
为了有助于理解后面讲述的内容，先看CAN总线有什么特性。
2.1 多主工作方式
CAN总线上的所有节点没有主从之分，反应在数据传输上是：在总线空闲状态下，任意节点都可以向总线上发送信息。另外：最先向总线发送信息的节点获得总线的发送权；当多个节点同时向总线发送消息时，所发送消息的优先权高的那个节点获得总线的发送权。
图11 多主工作方式示意图(引自[5])
图11说明：0x12优先级高于0x67，所以0x12先于0x67发送；紧接着0x52也要求发送，同样其优先级也高于0x67，所以0x52先于0x67发送，依次类推。这里0x12优先级高于0x67是怎么判断的呢？这就下个特点相关。
2.2 非破坏性仲裁机制
非破坏性仲裁机制是一种既不会造成已发送数据的延迟，也不会破坏已经发送的数据的仲裁机制，其具体实施需要了解CAN协议帧结构，线与机制等。其中，线与机制简单说就是位与计算，显性电平会覆盖隐性电平（换种方式理解：电路通路情况下，有一个端点接地（GND），那么整个电路电压就接地了）。
图12 线与机制图解(引自[6])
再了解线与机制后，看一个简单的仲裁例子，如下图：
上图：假设CAN总线上只有两个节点 A和B，它俩的ID用逻辑电平表示，我们规定：从SOF位开始，从左往右逐位比较，只要出现位不一样，比较就结束，显性电平者胜出，有权发送。
当节点A，B都发送请求时，开始逐位比较，直到它俩的ID7位，节点A为显性电平，节点B为隐性电平。根据线与机制，节点A胜出，优先发送。这就是一个大致的非破坏性仲裁过程。为了精准地实施仲裁过程，对CAN协议帧结构有严谨的设计，后续将会详细分析。
2.3 系统的柔软性
与总线相连的节点没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加节点时，连接在总线上的其它节点的软硬件及应用层都不需要改变。
2.4 通信速度
根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。（简单一句话理解：双方必须需要在同一频道交流，不然沟通就有障碍）
引自[6]
2.5 远程数据请求
可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。
引自[6]
2.6 信息广播
信息广播就如：节点A发送一条ID 0x12的信息，然后节点B,C,D都能收到。
引自[5]
上图节点B,C,D最终是否会接收这个0x12发送信息，与他们设置相关，如下图只有节点B设置接收，C，D将会丢弃该条信息，这个过程与报文过滤相关。
第3部分 CAN协议帧结构
上述仲裁机制部分我们提到CAN协议帧，总的来说CAN协议帧有5种类型，下面逐个展开。
引自[4]
由于数据帧与遥控帧的最大差别在于遥控帧没有数据段，所以将两者放在一起讲述：
