詳解CAN總線：什么是CAN總線？

硬件筆記本

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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(jìn)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(shí)。

由于本人也處于學(xué)習(xí)和研究階段，如果對(duì)CAN總線協(xié)議有理解不到位的地方，還請(qǐng)各位大佬在文末留言指正一二。
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3 q. q% m: y' U" ~& J* uCAN總線簡(jiǎn)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(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
3 e" Z; R% V! p3 O( f' LCAN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(xiàng)。實(shí)際CAN通訊是在連接設(shè)備的物理介質(zhì)中進(jìn)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：

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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(cuò)誤檢測(cè)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(shí)、同步；

PMA為收發(fā)器特性。
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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(dòng)化和工業(yè)環(huán)境中。
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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(jī)等）、輪船、飛機(jī)、電動(dòng)汽車電池、機(jī)械等的標(biāo)準(zhǔn)配置。
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CAN之前的版本：汽車ECU是復(fù)雜的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dá)5 Mbit/s，已通過ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)化



, o4 y! L9 v3 j  ]) E. [" P+ nCAN總線具有以下特點(diǎn)：
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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(hào)為差分式；

多主控制，在總線空閑時(shí)，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(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)；

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；

采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)

消息報(bào)文不包含源地址或者目標(biāo)地址，僅通過標(biāo)識(shí)符表明消息功能和優(yōu)先級(jí)；

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(shí)，節(jié)點(diǎn)才向總線上廣播消息；

可以通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；

消息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0~8Byte；

節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)110個(gè)；

錯(cuò)誤檢測(cè)功能。所有節(jié)點(diǎn)均可檢測(cè)錯(cuò)誤，檢測(cè)錯(cuò)誤的單元會(huì)立即通知其它所有單元；

發(fā)送消息出錯(cuò)后，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)重發(fā)；

故障限制，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，節(jié)點(diǎn)控制器可以判斷錯(cuò)誤是暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤還是持續(xù)性錯(cuò)誤，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，控制器可將節(jié)點(diǎn)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(hào)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(hào)為差分關(guān)系，可以有效抑制電磁干擾；

直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM(速率4Kbps以下)，通信速率最高可達(dá)1MB/s(此時(shí)距離最長(zhǎng)40M)；

總線上可同時(shí)連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可連接節(jié)點(diǎn)總數(shù)理論上是沒有限制的，但實(shí)際可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)受總線上時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制。

每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率極低；

廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，取而代之的是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)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(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分步式控制中非常重要。

CAN總線具體以下優(yōu)勢(shì)：

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! B2 u3 d; s6 S* s$ a8 Z# Y9 iCAN節(jié)點(diǎn)組成
CAN節(jié)點(diǎn)通常由三部分組成：CAN收發(fā)器、CAN控制器和MCU。
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" n, Y8 @9 s4 {4 w4 p" [CAN總線通過差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CAN收發(fā)器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)，或者將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，CAN控制器將TTL電平信號(hào)接收并傳輸給MCU，如下圖所示：
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0 U: t" f/ P( A4 Z目前，我們常用的STM32、華大、瑞薩等單片機(jī)內(nèi)部就集成了CAN控制器外設(shè)，通過配置就可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN報(bào)文數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。
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CAN總線結(jié)構(gòu)
. ?4 o7 G+ |% w- X; F" bCAN總線是一種廣播類型的總線，可支持線形拓?fù)�、星形拓�(fù)�、樹形拓�(fù)浜铜h(huán)形拓?fù)涞取�CAN網(wǎng)絡(luò)中至少需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備才可進(jìn)行通信，無法僅向某一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送消息，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所有節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置對(duì)有效的消息做出反應(yīng)。
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: v% A- u6 }; ^) K, a% ~線形拓?fù)涫窃谝粭l主干總線分出各個(gè)節(jié)點(diǎn)支線，其優(yōu)點(diǎn)在于布線施工簡(jiǎn)單，接線方便，阻抗匹配規(guī)則固定，缺點(diǎn)是拓?fù)洳粔蜢`活，在一定程度上影響通訊距離，如下圖所示：


7 z5 }- t# K& Y" S- ]星形拓?fù)涫敲總�(gè)節(jié)點(diǎn)通過中央設(shè)備連到一起，其優(yōu)點(diǎn)是容易擴(kuò)展，缺點(diǎn)是一旦中央設(shè)備出故障會(huì)導(dǎo)致總線集體故障，而且分支線長(zhǎng)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(jìn)行擴(kuò)展，如下圖所示：
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7 S1 [0 Y; {7 t% \1 u樹形拓?fù)涫枪?jié)點(diǎn)分支比較多，且分支長(zhǎng)度不同，其優(yōu)點(diǎn)是布線方便，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?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?fù)涫菍�CAN總線頭尾相連，形成環(huán)狀，其優(yōu)點(diǎn)是線纜任意位置斷開，總線都不會(huì)出現(xiàn)問題，缺點(diǎn)是信號(hào)反射嚴(yán)重，無法用于高波特率和遠(yuǎn)距離傳輸，如下圖所示：
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$ z7 ~, ]& [5 u( {( |9 w雖然CAN總線可以支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，但在�?shí)際應(yīng)用中比較推薦使用線形拓?fù)�，且在IOS 11898-2中高速CAN物理層規(guī)范推薦也是線形拓?fù)洹?br /> ) v0 a- T! p0 F. d4 n0 P
. |$ b+ z" v1 L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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的說明）。

2 J+ `5 U* ^, T& [: cISO 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(zhǎng)度≤40米，最大通信速率可達(dá)到1Mbps，高速閉環(huán)CAN（高速CAN）通信如下圖所示：
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+ z' O4 l' j+ Q( EISO 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(shí)，總線距離可達(dá)到1000米。低速開環(huán)CAN（低速容錯(cuò)CAN）通信如下圖所示：

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CAN總線物理電氣特性
) Y# V( @$ Q% C1 e  ^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(hào)。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。


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高速CAN總線（ISO 11898-2，通信速率為125Kbps～1Mbps）在傳輸顯性（0）信號(hào)時(shí)，會(huì)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(hào)時(shí)，并不會(huì)驅(qū)動(dòng) CAN_H 或者 CAN_L 端。 顯性信號(hào) 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(dòng)時(shí)，將差分標(biāo)稱電壓降回 0V。顯性信號(hào)（0）的共模電壓需要在 1.5V 到 3.5V 之間。隱性信號(hào)（1）的共模電壓需要在+/-12V。
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低速/容錯(cuò)CAN（ISO 11898-3，通信速率為10～125Kbps）在傳輸顯性信號(hào)（0）時(shí)，驅(qū)動(dòng)CANH端抬向5V，將CANL端降向0V。
% H; g3 m4 V! p9 y( p2 C1 S5 F# n在傳輸隱性信號(hào)（1）時(shí)并不驅(qū)動(dòng)CAN 總線的任何一端。在電源電壓VCC為5V時(shí)，顯性信號(hào)差分電壓需要大于2.3V，隱性信號(hào)的差分電壓需要小于0.6V。CAN總線兩端未被驅(qū)動(dòng)時(shí)，終端電阻使CAN L端回歸到RTH電壓（當(dāng)電源電壓VCC為5V時(shí)，RTH電壓至少為Vcc-0.3V=4.7V），同時(shí)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。
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在高速和低速CAN中從隱性信號(hào)向顯性信號(hào)過渡的速度更快，因?yàn)榇藭r(shí)CAN線纜被主動(dòng)積極地驅(qū)動(dòng)，顯性向隱性的過渡速度主要取決于CAN網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度和導(dǎo)線的電容。
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關(guān)于高速和低速CAN的相關(guān)知識(shí)后期會(huì)專門出一篇文章進(jìn)行講解，敬請(qǐng)期待~
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