详解经典 CAN(CAN 2.0)和增强型 CAN FD数据帧的结构、字段功能及版本差异

CAN 总线的数据帧是实现设备间数据传输的核心载体，其格式设计兼顾了实时性、可靠性和灵活性。以下从经典 CAN（CAN 2.0）和增强型 CAN FD两个维度，详细解析数据帧的结构、字段功能及版本差异。

一、经典 CAN 数据帧格式（ISO 11898）

经典 CAN 数据帧由 7 个字段组成，支持 ** 标准帧（11 位 ID）和扩展帧（29 位 ID）** 两种格式，核心差异体现在仲裁场和控制场。

1. 标准帧（CAN 2.0A）

2. 扩展帧（CAN 2.0B）

3. 仲裁场优先级机制

标识符优先级：ID 数值越小优先级越高。例如，ID=0x001（二进制 00000000001）的优先级高于 ID=0x100（00010000000）。

帧类型优先级：数据帧（RTR=0）的优先级高于同 ID 的远程帧（RTR=1）。

标准帧与扩展帧优先级：当基本 ID 相同时，标准帧的 RTR 位为显性（0），扩展帧的 SRR 位为隐性（1），因此标准帧优先级更高。

二、CAN FD 数据帧格式（ISO 11898-1:2015）

CAN FD 在兼容经典 CAN 的基础上，通过以下改进提升性能：

更高数据吞吐量：数据场扩展至 64 字节，DLC 支持非线性编码（如 DLC=9 对应 12 字节）。

双速率传输：仲裁段保持 1Mbps，数据段速率可切换至 8Mbps。

增强错误校验：采用 CRC17/CRC21 算法，校验范围包括填充位和填充计数位。

1. 控制场扩展

2. CRC 场改进

校验范围：包括填充位（连续 5 位相同值后插入的反码位）和 3 位填充计数（格雷码）及 1 位奇偶校验位。

算法选择：数据长度≤16 字节时使用 CRC17，＞16 字节时使用 CRC21。

3. ACK 场增强

CAN FD 允许接收方在2 个位时间内发送 ACK 确认，补偿速率切换带来的延迟。

三、关键字段深度解析

1. 仲裁场：标识符与优先级的核心

标识符（ID）：

标准帧 ID 范围为 0x000-0x7FF（11 位），扩展帧 ID 为 0x0000000-0x1FFFFFF（29 位）。

ID 的二进制值直接决定优先级。例如，ID=0x001（00000000001）的优先级高于 ID=0x100（00010000000），因为前者第一个隐性位出现在第 11 位，而后者在第 8 位。

RTR 位：数据帧为显性（0），远程帧为隐性（1）。当 ID 相同时，数据帧优先传输。

2. 控制场：数据长度与协议扩展

DLC 编码：

经典 CAN：DLC=0-8 对应 0-8 字节，接收方对 DLC=9-15 视为无效但不报错。

CAN FD：DLC=9-15 采用非线性编码，例如 DLC=9→12 字节，DLC=10→16 字节，DLC=15→64 字节。

保留位（r0, r1）：

标准帧中仅 r0 保留，发送时置 0，接收时忽略。

扩展帧中 r1 和 r0 均保留，发送时置 0，接收时期望为 1（隐性），用于未来协议扩展。

3. CRC 场：错误检测的核心

经典 CAN：

使用 CRC15 算法，校验范围包括 SOF 至数据场（不含填充位）。

示例：数据场为 0x12 0x34 时，CRC 校验码为 0x7B3（15 位）。

CAN FD：

新增 3 位填充计数（格雷码）和 1 位奇偶校验位，固定填充位插入在 CRC 域中（每 4 位插入 1 位反码）。

示例：数据长度 12 字节（DLC=9）时，使用 CRC17，校验码为 0x1234（17 位）。

4. 物理层：信号与速率的载体

差分信号：

显性位：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V（差分电压 2V），表示逻辑 0。

隐性位：CAN_H=CAN_L=2.5V（差分电压 0V），表示逻辑 1。

速率与总线长度：

经典 CAN：1Mbps 时总线长度≤40m，125kbps 时可达 1km。

CAN FD：仲裁段保持 1Mbps，数据段速率可切换至 8Mbps，总线长度受速率影响。

四、帧格式示例

1. 标准帧（数据帧）

帧结束：7个隐性位

2. 扩展帧（数据帧）

CRC场：0x456（15位） + 界定符=1

3. CAN FD 帧

- 固定填充位=0x55

五、CAN FD 与经典 CAN 的兼容性

仲裁兼容性：

CAN FD 帧的仲裁场前 11 位与经典 CAN 兼容，确保混合网络中优先级仲裁正常。

当 ID 相同时，经典 CAN 数据帧的优先级高于 CAN FD 数据帧。

物理层兼容：

CAN FD 复用经典 CAN 的双绞线和终端电阻（120Ω），但支持更高的数据段速率（最高 8Mbps）。

错误处理：

CAN FD 节点检测到经典 CAN 帧时，自动切换至经典模式处理。

错误帧和过载帧保持与经典 CAN 相同的格式，但发送时机受速率切换影响。

总结

CAN 总线的数据帧格式设计体现了高效仲裁、可靠传输、灵活扩展的特点：

经典 CAN：通过标识符优先级和非破坏性仲裁，满足汽车电子等实时性场景需求。

CAN FD：通过数据场扩展（64 字节）、双速率传输（最高 8Mbps）和增强 CRC 校验，适应智能设备对大数据量和高带宽的需求。

理解数据帧格式是开发 CAN 应用的基础，尤其在汽车电子、工业自动化等领域，需根据具体场景选择帧类型并合理配置 DLC、CRC 等参数，以实现最优通信性能。