CAN总线的硬件结构、信号电平相关的基础知识-电子发烧友网

本文主要介绍CAN总线的硬件结构、信号电平等等硬件相关的基础知识。

总线结构

CAN总线的物理连接常见的是非屏蔽双绞线（UTP），线上传输的是差分信号。连接到CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），节点主要包括Host、Controller和Transceiver三部分。Host和Controller通常集成在MCU里面，CAN Controller负责处理协议相关功能。CAN Transceiver将控制器连接到外部传输媒介。

高速CAN总线最高信号传输速率可达1Mbps，支持最长距离40m（CAN FD最高支持12Mbps，传输距离也就能到5m或者更短，一般也就是板间通讯才会使用这么高的波特率）。ISO 11898-2规定要求在高速CAN总线的两端安装端接电阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有125Kbps，因此ISO 11898-3没有要求端接。ISO 11898规定的CAN总线上最多32个节点。实际应用中要考虑到CAN总线收发器的性能，以及工作的CAN网络是高速CAN还是低速CAN。在传输距离方面，由于距离越大，信号时延也越大，为确保消息的正确采样，总线上的信号速率相应也得下降。

CANTransceiver

CAN Transceiver包括CANH和CANL两根信号，CANH和CANL信号采用差分电平，这样可以取得更好的电磁兼容效果。

CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。

下图是高速CAN收发器的基本电路结构（MCP2551）。当两个晶体管都关断时，CANH和CANL上电压相同，且都为0.5*VCC ；而当两个晶体管都打开时，CANH 和 CANL上即存在一定的压差，且压差与负载电阻值相关。ISO 11898-2要求此时CANH和CANL压差在2V左右。

下图是CAN FD的电路框图（TCAN1044V)：

下图是低速CAN的电路框图（TJA1055）：

下图是SWC的基本框图（MC33897）：

CAN信号电平

CAN通信不是以时钟信号来进行同步的。它只具有CAN_H和CAN_L两条信号线，共同构成一组差分信号线，CAN是以差分信号的形式进行通信的。在CAN总线上，逻辑“0”和“1”之间显著的电压差是总线可靠通信的保证。CAN总线上两种电平状态分别为：

显性（Dominant）：0

隐性（Recessive）：1

高速CAN和低速CAN总线在物理层信号电平上定义有所不同。高速CAN，定义CANH和CANL电压相同（CANH=CANL=2.5V）时为逻辑“1”，CANH和CANL电压相差2V（CANH=3.5V, CANL=1.5V）时为逻辑“0”。高速CAN收发器在共模电压范围内（-12V~12V），将CANH和CANL电压相差大于0.9V解释为显性状态（Dominant），而将CANH和CANL电压相差小于0.5V解释为为隐性状态（Recessive）。收发器内部有迟滞电路可以降低干扰。低速CAN，定义CANH和CANL电压相差-5V（CANH=0V, CANL=5V）时为逻辑“1”，相差2.2V（CANH=3.6V, CANL=1.4V）时为逻辑“0”。 CAN总线的信号电平具有“线与”特性，即显性电平“0”总是会掩盖隐性电平“1”。如果不同节点同时发送显性和隐性电平，总线上表现出显性电平“0”，只有在总线上所有节点发送的都是隐性电平“1”时，总线才表现为隐性。线与特性是CAN总线仲裁的电路基础。下图是高速CAN的信号电平（ISO 11898-2）：

下图是低速CAN的信号电平（ISO 11898-3）：

注：起初，ISO11898是高速CAN的标准，ISO11519是低速CAN的标准，高速CAN数据链路层和物理层都在标准ISO11898中规定，后来被拆分为ISO11898-1（仅涉及数据链路层）和ISO11898-2（仅涉及物理层）。其中标准ISO 11519-2-1994已经在2006年被ISO 11898-3-2006代替了，也就是说符合标准ISO 11898-3的产品也是支持符合ISO 11519-2标准的产品，因此LSFT CAN的标准也是ISO 11898。