📚 学习目标：读完本文，你将理解CAN的五种帧类型，掌握数据帧的详细结构，理解位填充机制，以及遥控帧、错误帧、过载帧的作用。

⏱️ 预计学习时间：25-30分钟

📋 前置知识：建议先阅读前两篇文章，了解CAN基础概念和物理层知识

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1. 写在前面

数据链路层不关心电压，它关心的是位（Bit）和帧（Frame）。

如果说物理层解决了"怎么把0和1发出去"的问题，那么数据链路层解决的就是"如何把这些0和1组织成有意义的报文"的问题。

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2. CAN 的五种帧类型

CAN 规定了五种帧类型：

帧类型	用途
数据帧	发送设备主动发送数据（广播式）。两种格式：标准格式（11 位 ID）和扩展格式（29 位 ID）
遥控帧	接收设备主动请求发送方的数据（请求式）。两种格式：11 位 ID 和 29 位 ID
错误帧	某个设备检测出错误时，向全总线"报警"
过载帧	接收设备通知其尚未做好接收准备
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开

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2.1. 数据帧

这是最常用的帧，负责携带真正的协议数据。总线上 90% 以上都是该类型的帧。

2.1.1. 数据帧结构解析

段名	域	描述
空闲段	-	总线为隐性电平 1，所有节点都不操作总线。当总线出现连续 11 个隐性 1 后，认为总线空闲
帧起始段	SOF (Start of Frame)	显性 0，破坏总线空闲状态，告诉所有人：我要开始说话了
仲裁段	ID	11 位，注：禁止高 7 位全为隐性电平 1
	RTR (Remote Transmission Request)	用于区分数据帧还是遥控帧，数据帧为显性电平 0，遥控帧为隐性电平 1。RTR 位也算作仲裁段，也就是相同 ID 的数据帧的优先级大于遥控帧
控制段	IDE (ID Extension)	用于区分标准格式还是扩展格式，标准格式固定位显示 0，扩展格式为隐性 1
	r0：保留位	显性 0
	DLC (Data Length Code)	数据长度，范围为 0-8。对于遥控帧，DLC 指的是请求的数据长度
数据段	-	数据内容，长度与 DLC 对应
CRC 段	CRC	对所有的数据位进行 CRC 计算，包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段
	CRC 界定符	必须是隐性电平
ACK 段	ACK 槽	发送方发送完毕后，释放总线，隐性电平 1，接收方若接收正确需要在此位回复显性电平 0，此时发送方读取 ACK 槽为 0，则表示收到 ACK
	ACK 界定符	接收方释放电平，隐性电平
结束段	EOF (End of Frame)	7 个隐性 1

2.1.2. 补充说明

1. 扩展格式中也存在 SOF
2. 扩展格式中，SRR 作用是替代 RTR，为隐性 1
3. 对于数据帧，标准格式和扩展格式的前 11 位相同，由于数据帧 RTR 为显性电平 0，扩展帧的 SRR 为隐性电平 1，标准格式的优先级高于扩展格式。若标准格式是遥控帧，标准帧的 IDE 为显性电平 0，扩展帧为隐性电平 1，仍是标准帧的优先级高

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2.2. 遥控帧

遥控帧基本上与数据帧类似，有几个点需要注意：

• RTR 区分是遥控帧还是数据帧
• 遥控帧没有数据段
• DLC 表示请求发送的数据长度

为什么有数据帧了还要遥控帧？
对于一些使用频率较低的帧，一直广播比较占总线资源，不广播的话在需要使用的时候又无法获取，所以出现了遥控帧，当某节点需要该报文信息时，通过广播的方式发送遥控帧，告诉发送方我需要这一帧的内容，那么发送方就发送这一帧的内容。

但是在实际项目中很少使用该帧，倾向于定时发送周期报文。

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2.3. 错误帧

总线上所有的节点都会检测总线的数据，一旦发现位错误、填充错误、CRC 错误、格式错误、应答错误等，这些设备便会发送错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备。

当节点检测到总线错误时，有两种情况（主动错误/被动错误在后文会详细描述）：

• 向总线发送连续 6 个显性电平 0，故意违反位填充规则，会使得总线无法正常传输信号（主动错误）
• 向总线发送连续 6 个隐性电平 1，不会影响别人通讯（被动错误）

最后再发送 8 个隐性电平 1，给总线一点"喘息时间"，让大家重回起跑线。

为什么会有错误重叠部分？

当节点 A 检测到错误时，不一定总线上所有的节点都检测到错误了，可能还有些报文在正常发送。譬如节点 B 要发送 01xxx，当发送到 1 时，回读发现是 0，发现位错误，发送连续 6 个显性电平 0。此时可以看到总线上实际上有 8 个显性电平 0。若此时还有节点 C 也在检测总线，发现连续 6 个 0 后，以为出现了填充错误，也要报错，发送连续 6 个显性电平 0，那总线上就有 12 个显性电平 0。若还有节点 efg 等，最迟也就是连续检测到填充错误后上报错误。所以会有错误标志重叠，且最多是 6 个。

节点A： 0 0 0 0 0 0 1 1 1  1  1  1  1  1
节点B： 0 1 0 0 0 0 0 0 1  1  1  1  1  1  1  1
节点C： 0 0 0 0 0 0 0 0 0  0  0  0  1  1  1  1  1  1  1  1
时间轴------------------------------------------------------->
       1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12  

问题：节点A处于被动错误中，节点B发现总线错误，进入主动错误，此时会发送连续6个0，其他节点也会检测到填充错误，然后继续发送主动错误，那么节点A在这个过程中是如何表现的？

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2.4. 过载帧

接收方因来不及处理缓冲区的报文，其可以发出过载帧，延缓发送方的数据，以平衡总线负载，避免数据丢失。与错误帧相同的帧格式，但是不会增加错误计数。

注意 1：现代的 CAN 总线上基本上不会出现过载帧，因为 MCU 处理速度很快，对于 CAN 报文处理比较快，而且存在邮箱、FIFO 等机制，所以无需过载帧。

注意 2：虽然过载帧也是 6 个显性电平，但是不会出现填充错误。因为错误帧发生在报文中间（数据段、CRC 段等），在这些地方才会有填充错误。而过载帧发生在报文结束后的间隙，在帧间隔期间，此时位填充不生效。

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2.5. 帧间隔

将数据帧、远程帧与前面的任何帧（数据、遥控、错误、过载帧）分隔开。

为什么是 3 个间隔？

无论前面是错误帧、数据帧、遥控帧、过载帧，我们可以看出，最后 8 位都是隐性电平，而总线空闲时要起 11 个隐性电平，刚好是 11 个隐性电平，之后就是总线空闲状态，节点可以发送报文。若在间隔期间检测到显性电平，则认为是过载帧，之后也是如此，需要再等 11 个隐性电平才可以发送报文。

延迟发送什么时候生效？

在被动错误状态下，发送方发送完消息后，需要额外等待 8 个隐性电平。

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3. 位填充机制

上面我们描述了 CAN 帧的五种类型，出现如下情况怎么办？

• 我们发送的报文内容如果就是 0x00000000，那 CAN 线上如何区分这是数据还是错误帧呢？
• 若内容是 0xFFFFFFFF，出现了连续 11 个隐性电平，是总线空闲了么？
• CAN 是异步通信，没有时钟线，如果总线一直是一种状态，接收双方晶振如果有误差，是否能够准确接收数据？因此引入了位填充机制

3.1. 规则

发送方每发送连续 5 个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位。接收方检测到填充位，会自动移除填充位，恢复原始数据。

3.2. 作用

• 防止数据波形长时间不变化，防止位读取不准确（若没有填充位，连续发送 64 个 1，如果波特率有一点偏移，采样时机出错，导致读取的数据出现问题）
• 跳变还可以再同步，使得采样更加精确
• 区分数据（遥控）帧和错误帧，过载帧上位填充不生效
• 保持数据流活跃，防止被误认为总线空闲

3.3. 提示

填充规则是在控制器自动完成的，作用范围是 SOF 开始到 CRC 段结束。ACK 槽为 0，前后的界定符都是 1，必然存在跳变，否则就是出错，所以不会在 CRC 段之后出现位填充错误。CAN 控制器一般是集成到芯片内部的，属于片上外设，STM32 中的 bxCAN、RH850 中 RSCAN-FD 等，包括协议解析、仲裁、CRC、填充机制都在控制器中由硬件自动完成。

示例：发送 10000011110，总线上实际是 1000001111100

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4. 总结

通过本文，我们了解了：

✅ CAN的五种帧类型：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔

✅ 数据帧的详细结构：从SOF到EOF的完整解析

✅ 位填充机制：为什么需要位填充，如何工作

✅ 各种帧的作用：什么时候使用哪种帧

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5. 下篇预告

了解了帧结构，接下来我们要学习CAN最核心的机制：仲裁机制和错误处理。这是理解CAN如何实现多主通信和错误恢复的关键。

下一篇《【CAN通信进阶】数据链路层（下）：仲裁机制与错误处理》 将深入讲解：

• 非破坏性仲裁机制
• 优先级规则
• 错误检测与恢复
• Bus Off机制

敬请期待！

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6. 互动时间

• 你对哪种帧类型最感兴趣？
• 位填充机制理解了吗？
• 在实际项目中遇到过帧格式相关的问题吗？

欢迎在评论区留言，我会及时回复！

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专栏目录：

1. ✅ 【CAN通信入门】万字长文带你理解CAN：从汽车"减肥"说起
2. ✅ 【CAN通信进阶】物理层：两根线如何传输0和1？
3. ✅ 【CAN通信进阶】数据链路层（上）：帧结构全解析（本文）