CAN总线详解

1 简介

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。

优点：

传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。近些年来，CAN控制器价格越来越低。

Ø 低成本：ECUs通过单个CAN接口进行通信，布线成本低。

Ø 高集成：CAN总线系统允许在所有ECUs上进行集中错误诊断和配置。

Ø 可靠性：该系统对子系统的故障和电磁干扰具有很强的鲁棒性，是汽车控制系统的理想选择。

Ø 高效率：可以通过id对消息进行优先级排序，以便最高优先级的id不被中断。

Ø 灵活性：每个ECU包含一个用于CAN总线收发芯片，随意添加CAN总线节点。

2 CAN总线网络

CAN总线网络主要挂在CAN_H和CAN_L，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻。为什么是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。

3 CAN收发器

CAN收发器的作用是负责逻辑电平和信号电平之间的转换。

即从CAN控制芯片输出逻辑电平到CAN收发器，然后经过CAN收发器内部转换将逻辑电平转换为差分信号输出到CAN总线上，CAN总线上的节点都可以决定自己是否需要总线上的数据。具体的引脚定义如下：

4 CAN信号表示

CAN总线采用不归零码位填充技术，也就是说CAN总线上的信号有两种不同的信号状态，分别是显性的(Dominant)逻辑0和隐形的(recessive)逻辑1，信号每一次传输完后不需要返回到逻辑0(显性)的电平。

显性与隐性电平的解释：

CAN的数据总线有两条，一条是黄色的CAN_High,一条是绿色的CAN_Low。当没有数据发送时，两条线的电平一样都为2.5V，称为静电平，也就是隐性电平。当有信号发送时，CAN_High的电平升高1V，即3.5V，CAN_Low的电平降低1V，即1.5V。

按照定义的：

CAN_H-CAN_L < 0.5V 时候为隐性的，逻辑信号表现为"逻辑1"- 高电平。

CAN_H-CAN_L > 0.9V 时候为显性的，逻辑信号表现为"逻辑0"- 低电平。

5 CAN信号传输

发送过程：CAN控制器将CPU传来的信号转换为逻辑电平（即逻辑0-显性电平或者逻辑1-隐性电平）。CAN发射器接收逻辑电平之后，再将其转换为差分电平输出到CAN总线上。

接收过程：CAN接收器将CAN_H 和 CAN_L 线上传来的差分电平转换为逻辑电平输出到CAN控制器，CAN控制器再把该逻辑电平转化为相应的信号发送到CPU上。

6 CAN数据传输

CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧（2.0A）和扩展帧（2.0B）。

帧起始

由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；

帧结束

由7个隐形位（高电平）组成。

仲裁段

只要总线空闲，总线上任何节点都可以发送报文，如果有两个或两个以上的节点开始传送报文，那么就会存在总线访问冲突的可能。但是CAN使用了标识符的逐位仲裁方法可以解决这个问题。

CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。如果该位位于仲裁段，则退出总线竞争；如果位于其他段，则产生错误事件。

假设节点A、B和C都发送相同格式相同类型的帧，如标准格式数据帧，它们竞争总线的过程是：

帧ID越小，优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于远程帧；由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐形电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。

数据段

一个数据帧传输的数据量为0~8个字节，这种短帧结构使得CAN-bus实时性很高，非常适合汽车和工控应用场合如图27所示。

数据量小，发送和接收时间短，实时性高，被干扰的概率小，抗干扰能力强。

审核编辑 ：李倩