CAN协议简介：从基础到高级应用

引言

在现代工业控制和汽车电子领域，CAN（Controller Area Network）协议凭借其高可靠性、实时性和灵活性，成为分布式系统的首选通信方案。本文将深入解析CAN协议的核心技术原理，帮助读者全面理解这一经典总线协议的工作机制。

一、CAN协议概述

1.1 基本特性

• 多主架构：所有节点平等，可主动发起通信
• 差分信号传输：采用CAN_H/CAN_L双绞线，抗干扰能力强
• 非破坏仲裁：基于优先级的冲突解决机制
• 高可靠性：CRC校验、错误检测与重传机制

1.2 典型应用场景

• 汽车电子（ECU通信）
• 工业自动化（PLC网络）
• 医疗设备（生命支持系统）
• 航空航天（机载系统）

二、物理层解析

2.1 信号规范

信号状态	CAN_H电压	CAN_L电压	差分电压
显性电平	3.5V	1.5V	2V
隐性电平	2.5V	2.5V	0V

显性电平（逻辑0）具有总线仲裁优先权

2.2 网络拓扑

• 总线型结构，最大支持110个节点
• 终端电阻配置（120Ω×2）
• 传输距离与速率关系：
  • 1Mbps → 40m
  • 125kbps → 500m

三、数据链路层机制

3.1 帧类型对比

帧类型	标识符长度	数据长度	主要用途
标准数据帧	11位	0-8字节	常规数据传输
扩展数据帧	29位	0-8字节	复杂网络扩展
远程帧	11/29位	无数据	数据请求
错误帧	无	无	错误通知
过载帧	无	无	流量控制

3.2 非破坏性仲裁

仲裁流程：

1. 节点同时发送ID，高位优先比较
2. 遇到显性电平（0）时，发送隐性电平（1）的节点退出发送
3. 最小ID（二进制值）获得最高优先级

示例：
节点A发送ID：0x12A（二进制 000100101010）
节点B发送ID：0x12B（二进制 000100101011）
在第10位比较时，A发送0，B发送1 → A胜出

3.3 错误处理机制

• 错误检测：

  • CRC校验（15位多项式）
  • 位填充校验（每5个相同位插入相反位）
  • 格式校验

• 错误类型：

  • 位错误
  • 填充错误
  • CRC错误
  • 格式错误
  • ACK错误

• 错误计数器：

  • 发送错误计数器（TEC）
  • 接收错误计数器（REC）
  • 错误状态转换：
    • 主动错误 → 被动错误 → 总线关闭

四、帧结构详解

4.1 标准数据帧结构

[SOF][11位ID][RTR][控制段][数据段][CRC][ACK][EOF]

• SOF：帧起始（显性电平）
• 控制段：包含DLC（数据长度代码）
• CRC：15位校验码+隐性界定符
• ACK：发送显性，接收节点拉低确认

4.2 扩展帧结构

[SOF][11位基ID][SRR][IDE][18位扩展ID][RTR][控制段][数据段][CRC][ACK][EOF]

• SRR：替代远程请求位（隐性）
• IDE：标识符扩展位（显性）

五、高级特性

5.1 CAN FD协议增强

• 数据段可变速率（最高5Mbps）
• 数据长度扩展（最大64字节）
• 改进CRC算法（21位多项式）

5.2 报文过滤机制

• 验收过滤器类型：
  • 单过滤器（精确匹配）
  • 范围过滤（起始ID-结束ID）
  • 掩码过滤（指定关注位）

示例掩码配置：

// 只接收ID低4位为0x0A的帧
FilterId = 0x0000000A;
FilterMask = 0x0000000F; 

六、同步与定时

6.1 位时间组成

时间段	作用	典型比例
同步段(SYNC)	总线电平跳变同步	1 Tq
传播段(PROP)	补偿物理延迟	2 Tq
相位缓冲段1	时钟调整（延长）	3 Tq
相位缓冲段2	时钟调整（缩短）	2 Tq

Tq（Time Quantum）= 1/(波特率预分频)

6.2 同步规则

• 硬同步：SOF下降沿重新校准
• 再同步：数据流中的下降沿调整

七、开发实践要点

1. 终端电阻配置：总线两端必须接120Ω电阻
2. 接地处理：采用单点接地，避免地环路
3. EMC设计：
   • 双绞线节距<100mm
   • 避免与电源线平行走线
4. 诊断工具：
   • CANalyzer/CANoe
   • PCAN-USB
   • BusMaster

结语

CAN协议经过30余年发展，已形成完整的协议家族（CAN 2.0/FD/CANopen等），在实时性要求严苛的领域持续发挥重要作用。理解其底层机制不仅有助于故障诊断，更能为高可靠性系统设计提供坚实基础。随着CAN SIC（信号改进）和CAN XL等新标准的发展，这一经典协议仍在不断进化，继续引领工业通信技术的发展潮流。