詳解CAN總線：什么是CAN總線？

發(fā)布人：美男子玩編程時間：2022-09-19 來源：工程師

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在之前的博文中分享過一系列一文搞懂：SPI協(xié)議、I2C協(xié)議、PID算法、Modbus協(xié)議等文章，也考慮過是否可以出一篇介紹CAN總線協(xié)議的文章，但是在之后的學(xué)習(xí)研究中，發(fā)覺CAN總線協(xié)議比較龐大和復(fù)雜，做為剛剛進入汽車電子行業(yè)的開發(fā)小白，一篇文章難以講解清晰，所以決定在汽車電子專欄中連載分享關(guān)于CAN總線協(xié)議的相關(guān)知識。

由于本人也處于學(xué)習(xí)和研究階段，如果對CAN總線協(xié)議有理解不到位的地方，還請各位大佬在文末留言指正一二。

CAN總線簡介

CAN總線協(xié)議（Controller Area Network），控制器局域網(wǎng)總線，是德國BOSCH（博世）公司研發(fā)的一種串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

CAN通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（ISO-11898：2003）介紹了設(shè)備間信息是如何傳遞以及符合開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）的哪些分層項。實際CAN通訊是在連接設(shè)備的物理介質(zhì)中進行，物理介質(zhì)的特性由模型中的物理層定義。ISO11898體系結(jié)構(gòu)定義七層，OSI模型中的最低兩層作為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下圖所示：

LLC用于接收濾波、超載通告、回復(fù)管理；
MAC用于數(shù)據(jù)封裝/拆封、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測與標(biāo)定、應(yīng)答、串轉(zhuǎn)發(fā)/并轉(zhuǎn)串；
PLS用于位編碼/解碼、位定時、同步；
PMA為收發(fā)器特性。

CAN協(xié)議主要用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束，該協(xié)議的健壯性使其同樣適用于自動化和工業(yè)環(huán)境中。

CAN總線協(xié)議距今已經(jīng)發(fā)展40多年，如今，CAN總線已成為汽車（汽車、卡車、公共汽車、拖拉機等）、輪船、飛機、電動汽車電池、機械等的標(biāo)準(zhǔn)配置。

CAN之前的版本：汽車ECU是復(fù)雜的點對點布線
1986年：BOSCH（博世）開發(fā)了CAN協(xié)議作為解決方案
1991年：BOSCH（博世）發(fā)布了CAN 2.0（CAN 2.0A：11位，2.0B：29位）
1993年：CAN被采用為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898）
2003年：ISO 11898成為標(biāo)準(zhǔn)系列
2012年：博世發(fā)布了CAN FD 1.0
2015年：CAN FD協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化（ISO 11898-1）
2016年：CAN物理層，數(shù)據(jù)速率高達5 Mbit/s，已通過ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)化

CAN總線具有以下特點：

符合OSI開放式通信系統(tǒng)參考模型；
兩線式總線結(jié)構(gòu)，電氣信號為差分式；
多主控制，在總線空閑時，所有的單元都可開始發(fā)送消息，最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)；多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)；
點對點控制，一點對多點及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；
采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)
消息報文不包含源地址或者目標(biāo)地址，僅通過標(biāo)識符表明消息功能和優(yōu)先級；
基于固定消息格式的廣播式總線系統(tǒng)，短幀結(jié)構(gòu)；
事件觸發(fā)型，只有當(dāng)有消息要發(fā)送時，節(jié)點才向總線上廣播消息；
可以通過發(fā)送遠程幀請求其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；
消息數(shù)據(jù)長度0~8Byte；
節(jié)點數(shù)最多可達110個；
錯誤檢測功能。所有節(jié)點均可檢測錯誤，檢測錯誤的單元會立即通知其它所有單元；
發(fā)送消息出錯后，節(jié)點會自動重發(fā)；
故障限制，具有自動關(guān)閉總線的功能，節(jié)點控制器可以判斷錯誤是暫時的數(shù)據(jù)錯誤還是持續(xù)性錯誤，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，控制器可將節(jié)點從總線上隔離，以使總線上的其他操作不受影響；
通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般使用最便宜的雙絞線；
理論上，CAN總線用單根信號線就可以通信，但還是配備了第二根導(dǎo)線，第二根導(dǎo)線與第一根導(dǎo)線信號為差分關(guān)系，可以有效抑制電磁干擾；
直接通信距離最遠可達10KM(速率4Kbps以下)，通信速率最高可達1MB/s(此時距離最長40M)；
總線上可同時連接多個節(jié)點，可連接節(jié)點總數(shù)理論上是沒有限制的，但實際可連接節(jié)點數(shù)受總線上時間延遲及電氣負載的限制。
每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)錯誤率極低；
廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，取而代之的是對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種數(shù)據(jù)塊編碼方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分步式控制中非常重要。

CAN總線具體以下優(yōu)勢：

CAN節(jié)點組成

CAN節(jié)點通常由三部分組成：CAN收發(fā)器、CAN控制器和MCU。

CAN總線通過差分信號進行數(shù)據(jù)傳輸，CAN收發(fā)器將差分信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，或者將TTL電平信號轉(zhuǎn)換為差分信號，CAN控制器將TTL電平信號接收并傳輸給MCU，如下圖所示：

目前，我們常用的STM32、華大、瑞薩等單片機內(nèi)部就集成了CAN控制器外設(shè)，通過配置就可實現(xiàn)對CAN報文數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。

CAN總線結(jié)構(gòu)

CAN總線是一種廣播類型的總線，可支持線形拓撲、星形拓撲、樹形拓撲和環(huán)形拓撲等。CAN網(wǎng)絡(luò)中至少需要兩個節(jié)點設(shè)備才可進行通信，無法僅向某一個特定節(jié)點設(shè)備發(fā)送消息，發(fā)送數(shù)據(jù)時所有節(jié)點都不可避免地接收所有流量。但是，CAN總線硬件支持本地過濾，因此每個節(jié)點可以設(shè)置對有效的消息做出反應(yīng)。

線形拓撲是在一條主干總線分出各個節(jié)點支線，其優(yōu)點在于布線施工簡單，接線方便，阻抗匹配規(guī)則固定，缺點是拓撲不夠靈活，在一定程度上影響通訊距離，如下圖所示：

星形拓撲是每個節(jié)點通過中央設(shè)備連到一起，其優(yōu)點是容易擴展，缺點是一旦中央設(shè)備出故障會導(dǎo)致總線集體故障，而且分支線長不同，阻抗匹配復(fù)雜，可能需要通過一些中繼器或集線器進行擴展，如下圖所示：

樹形拓撲是節(jié)點分支比較多，且分支長度不同，其優(yōu)點是布線方便，缺點是網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜，阻抗匹配困難，通訊中極易出現(xiàn)問題，必須加一些集線器設(shè)備，如下圖所示：

環(huán)形拓撲是將CAN總線頭尾相連，形成環(huán)狀，其優(yōu)點是線纜任意位置斷開，總線都不會出現(xiàn)問題，缺點是信號反射嚴(yán)重，無法用于高波特率和遠距離傳輸，如下圖所示：

雖然CAN總線可以支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲，但在實際應(yīng)用中比較推薦使用線形拓撲，且在IOS 11898-2中高速CAN物理層規(guī)范推薦也是線形拓撲。

在ISO 11898-2和ISO 11898-3中分別規(guī)定了兩種CAN總線結(jié)構(gòu)（在BOSCH CAN2.0規(guī)范中，并沒有關(guān)于總線拓撲結(jié)構(gòu)的說明）。

ISO 11898-2中定義了通信速率為125Kbps～1Mbps的高速閉環(huán)CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)通信總線長度≤40米，最大通信速率可達到1Mbps，高速閉環(huán)CAN（高速CAN）通信如下圖所示：

ISO 11898-3中定義了通信速率為10～125Kbps的低速開環(huán)CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)傳輸速率為40Kbps時，總線距離可達到1000米。低速開環(huán)CAN（低速容錯CAN）通信如下圖所示：

CAN總線物理電氣特性

在CAN總線上，利用CAN_H和CAN_L兩根線上的電位差來表示CAN信號。CAN 總線上的電位差分為顯性電平（Dominant Voltage）和隱性電平（Recessive Voltage），其中顯性電平為邏輯 0，隱性電平為邏輯 1。

高速CAN總線（ISO 11898-2，通信速率為125Kbps～1Mbps）在傳輸顯性（0）信號時，會將 CAN_H端抬向5V高電平，將CAN_L拉向0V低電平。

當(dāng)傳輸隱性（1）信號時，并不會驅(qū)動 CAN_H 或者 CAN_L 端。顯性信號 CAN_H 和 CAN_L 兩端差分標(biāo)稱電壓為 2V。終端電阻在沒有驅(qū)動時，將差分標(biāo)稱電壓降回 0V。顯性信號（0）的共模電壓需要在 1.5V 到 3.5V 之間。隱性信號（1）的共模電壓需要在+/-12V。

低速/容錯CAN（ISO 11898-3，通信速率為10～125Kbps）在傳輸顯性信號（0）時，驅(qū)動CANH端抬向5V，將CANL端降向0V。

在傳輸隱性信號（1）時并不驅(qū)動CAN 總線的任何一端。在電源電壓VCC為5V時，顯性信號差分電壓需要大于2.3V，隱性信號的差分電壓需要小于0.6V。CAN總線兩端未被驅(qū)動時，終端電阻使CAN L端回歸到RTH電壓（當(dāng)電源電壓VCC為5V時，RTH電壓至少為Vcc-0.3V=4.7V），同時使CAN H端回歸至RTL電壓（RTL電壓最大為0.3V）。兩根線需要能夠承受-27V至40V的電壓而不被損壞。