CAN 總線介紹

此篇文章用來介紹 CAN 協議，絕大部分內容從 知乎：一口氣從零讀懂CAN總線 轉載。

0 摘要

上世紀八十年代以來，汽車 ECU 越來越多，如 ABS，電控門窗，電子燃油噴射裝置。如果仍然採用常規的點對點佈線方式，即電線一段與開關相接，另一端與用電設備相通，將會導致車上電線數目的急劇增加，從而帶來線束的冗餘及維修成本的提高。這就對汽車的線束分佈及信息通訊提出了更高的要求。總線技術可以實現信息的實時共享，解決了傳統佈線方式中線束多，佈線難，成本高等問題，CAN（Controller Area Network）總線技術應運而生。

1 介紹

CAN 總線是由德國研發和生產汽車電子產品著稱的 BOSCH 公司開發的，並最終成爲國際標準（ISO11519），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN 總線是一種多主控（Multi-Master）的總線系統。傳統總線系統如 USB 或以太網等是在總線控制器的協調下，實現從 A 節點到 B 節點大量數據的傳輸。CAN 網絡的消息是廣播式的，即在同一時刻網絡上所有節點偵測的數據是一致的，它是一種基於消息廣播模式的串行通信總線。

CAN 總線的很多優點，使得它得到了廣泛的應用，如傳輸速度最高到 1 Mbps, 通信距離最遠到 10 km，無損位仲裁機制，多主結構。

2 CAN 總線標準

CAN 總線標準之規定了物理層和數據鏈路層，至於應用層需要用戶自定義。不同的 CAN 標準僅物理層不同。

• 物理層和數據鏈路層：ISO11898
• 應用層：不同的應用領域使用不同的應用層標準

3 CAN 物理層

3.1 CAN 拓撲網絡

連接在 CAN 總線上的設備叫做節點設備（CAN Node），CAN 網絡的拓撲一般爲線型。線束最常用的是雙絞線，線上傳輸爲對稱的差分電平信號。下圖爲 CAN 總線網絡示意圖，節點主要包括 Host、控制器和收發器。Host 常集成有 CAN 控制器，CAN 控制器負責處理協議相關功能，以減輕 Host 的負擔。CAN 收發器將控制器連接到傳輸媒介。通常控制器和總線收發器通過光耦或磁耦隔離，這樣即使總線上過壓損壞收發器，控制器和 Host 設備也可以得到保護。

在發送數據時，CAN 控制器把要發送的二進制編碼通過 CAN_Tx 線發送到 CAN 收發器，然後由收發器把這個普通的邏輯電平信號轉化成差分信號，通過差分線 CAN_High 和 CAN_Low 輸出到 CAN 總線網絡。接收數據過程，相反。採用差分信號，可以取得更好的電磁兼容效果。因此，CAN 總線物理傳輸媒介只需要兩根線。

注：ECU（Electronic Control Unit）電子控制單元，又稱“行車電腦”、“車載電腦”等。

高速 CAN 總線最高信號傳輸速率爲 1 Mbps，支持最長距離 40 m。ISO11898-2 要求在高速 CAN 總線兩段安裝端接電阻 RL（端接電阻一般爲 120 Ω，因爲電纜的特性阻抗爲 120 Ω，爲了模擬無限遠的傳輸線。）以消除反射。低速 CAN 最高速度只有 125 Kbps，所以ISO11898-3 沒有端接要求。

因爲傳輸距離越大，信號時延也越大，爲了保證消息的正確採樣，總線上的信號速率相應也要下降。下圖是推薦的信號速率與距離的關係。

3.2 CAN 收發器

CAN 總線分高速 CAN 和低速 CAN，收發器也分爲高速 CAN 收發器（1 Mbps）和低速 CAN 收發器（125Kbps）。低速 CAN 也叫 Fault
Tolerance CAN，指的是即使總線上一根線失效，總線依然可以通信。如同串口中的 MAX3232 用作電平轉換，CAN 收發器的作用則是把邏輯信號轉換爲差分信號。

3.3 差分信號

CAN 總線採用差分信號傳輸，通常情況下只需要兩根信號線就可以進行正常的通信。在差分信號中，邏輯 0 和邏輯 1 是用兩根差分信號線的電壓差來表示。當處於邏輯 1，CAN_High 和 CAN_Low 的電壓差小於 0.5 V 時，稱爲隱性電平（Recessive）；當處於邏輯 0，CAN_High 和 CAN_Low 的電壓差大於 0.9 V，稱爲顯性電平（Dominant）。

• 高速 CAN
  
• 低速容錯CAN （Fault Tolerance CAN）
  
  CAN 總線遵從 “線與” 機制：“顯性” 位可以覆蓋 “隱性” 位；只有所有節點都發送 “隱性” 位， 總線才處於 “隱性” 狀態。這種 “線與” 機制使 CAN 總線呈現顯性優先的特性。
  

3.4 CAN 總線連接器