CAN 总线介绍

此篇文章用来介绍 CAN 协议，绝大部分内容从 知乎：一口气从零读懂CAN总线 转载。

0 摘要

上世纪八十年代以来，汽车 ECU 越来越多，如 ABS，电控门窗，电子燃油喷射装置。如果仍然采用常规的点对点布线方式，即电线一段与开关相接，另一端与用电设备相通，将会导致车上电线数目的急剧增加，从而带来线束的冗余及维修成本的提高。这就对汽车的线束分布及信息通讯提出了更高的要求。总线技术可以实现信息的实时共享，解决了传统布线方式中线束多，布线难，成本高等问题，CAN（Controller Area Network）总线技术应运而生。

1 介绍

CAN 总线是由德国研发和生产汽车电子产品著称的 BOSCH 公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11519），是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统。传统总线系统如 USB 或以太网等是在总线控制器的协调下，实现从 A 节点到 B 节点大量数据的传输。CAN 网络的消息是广播式的，即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的，它是一种基于消息广播模式的串行通信总线。

CAN 总线的很多优点，使得它得到了广泛的应用，如传输速度最高到 1 Mbps, 通信距离最远到 10 km，无损位仲裁机制，多主结构。

2 CAN 总线标准

CAN 总线标准之规定了物理层和数据链路层，至于应用层需要用户自定义。不同的 CAN 标准仅物理层不同。

• 物理层和数据链路层：ISO11898
• 应用层：不同的应用领域使用不同的应用层标准

3 CAN 物理层

3.1 CAN 拓扑网络

连接在 CAN 总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），CAN 网络的拓扑一般为线型。线束最常用的是双绞线，线上传输为对称的差分电平信号。下图为 CAN 总线网络示意图，节点主要包括 Host、控制器和收发器。Host 常集成有 CAN 控制器，CAN 控制器负责处理协议相关功能，以减轻 Host 的负担。CAN 收发器将控制器连接到传输媒介。通常控制器和总线收发器通过光耦或磁耦隔离，这样即使总线上过压损坏收发器，控制器和 Host 设备也可以得到保护。

在发送数据时，CAN 控制器把要发送的二进制编码通过 CAN_Tx 线发送到 CAN 收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线 CAN_High 和 CAN_Low 输出到 CAN 总线网络。接收数据过程，相反。采用差分信号，可以取得更好的电磁兼容效果。因此，CAN 总线物理传输媒介只需要两根线。

注：ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。

高速 CAN 总线最高信号传输速率为 1 Mbps，支持最长距离 40 m。ISO11898-2 要求在高速 CAN 总线两段安装端接电阻 RL（端接电阻一般为 120 Ω，因为电缆的特性阻抗为 120 Ω，为了模拟无限远的传输线。）以消除反射。低速 CAN 最高速度只有 125 Kbps，所以ISO11898-3 没有端接要求。

因为传输距离越大，信号时延也越大，为了保证消息的正确采样，总线上的信号速率相应也要下降。下图是推荐的信号速率与距离的关系。

3.2 CAN 收发器

CAN 总线分高速 CAN 和低速 CAN，收发器也分为高速 CAN 收发器（1 Mbps）和低速 CAN 收发器（125Kbps）。低速 CAN 也叫 Fault
Tolerance CAN，指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。如同串口中的 MAX3232 用作电平转换，CAN 收发器的作用则是把逻辑信号转换为差分信号。

3.3 差分信号

CAN 总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。在差分信号中，逻辑 0 和逻辑 1 是用两根差分信号线的电压差来表示。当处于逻辑 1，CAN_High 和 CAN_Low 的电压差小于 0.5 V 时，称为隐性电平（Recessive）；当处于逻辑 0，CAN_High 和 CAN_Low 的电压差大于 0.9 V，称为显性电平（Dominant）。

• 高速 CAN
  
• 低速容错CAN （Fault Tolerance CAN）
  
  CAN 总线遵从 “线与” 机制：“显性” 位可以覆盖 “隐性” 位；只有所有节点都发送 “隐性” 位， 总线才处于 “隐性” 状态。这种 “线与” 机制使 CAN 总线呈现显性优先的特性。
  

3.4 CAN 总线连接器