详解CAN总线：什么是CAN总线？

发布人：美男子玩编程时间：2022-09-19 来源：工程师发布文章

在之前的博文中分享过一系列一文搞懂：SPI协议、I2C协议、PID算法、Modbus协议等文章，也考虑过是否可以出一篇介绍CAN总线协议的文章，但是在之后的学习研究中，发觉CAN总线协议比较庞大和复杂，做为刚刚进入汽车电子行业的开发小白，一篇文章难以讲解清晰，所以决定在汽车电子专栏中连载分享关于CAN总线协议的相关知识。

由于本人也处于学习和研究阶段，如果对CAN总线协议有理解不到位的地方，还请各位大佬在文末留言指正一二。

CAN总线简介

CAN总线协议（Controller Area Network），控制器局域网总线，是德国BOSCH（博世）公司研发的一种串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。

CAN通讯协议标准（ISO-11898：2003）介绍了设备间信息是如何传递以及符合开放系统互联参考模型（OSI）的哪些分层项。实际CAN通讯是在连接设备的物理介质中进行，物理介质的特性由模型中的物理层定义。ISO11898体系结构定义七层，OSI模型中的最低两层作为数据链路层和物理层，如下图所示：

LLC用于接收滤波、超载通告、回复管理；
MAC用于数据封装/拆封、帧编码、媒体访问管理、错误检测与标定、应答、串转发/并转串；
PLS用于位编码/解码、位定时、同步；
PMA为收发器特性。

CAN协议主要用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，该协议的健壮性使其同样适用于自动化和工业环境中。

CAN总线协议距今已经发展40多年，如今，CAN总线已成为汽车（汽车、卡车、公共汽车、拖拉机等）、轮船、飞机、电动汽车电池、机械等的标准配置。

CAN之前的版本：汽车ECU是复杂的点对点布线
1986年：BOSCH（博世）开发了CAN协议作为解决方案
1991年：BOSCH（博世）发布了CAN 2.0（CAN 2.0A：11位，2.0B：29位）
1993年：CAN被采用为国际标准（ISO 11898）
2003年：ISO 11898成为标准系列
2012年：博世发布了CAN FD 1.0
2015年：CAN FD协议标准化（ISO 11898-1）
2016年：CAN物理层，数据速率高达5 Mbit/s，已通过ISO 11898-2标准化

CAN总线具有以下特点：

符合OSI开放式通信系统参考模型；
两线式总线结构，电气信号为差分式；
多主控制，在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息，最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID消息的单元可获得发送权；
点对点控制，一点对多点及全局广播几种传送方式接收数据，网络上的节点可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；
采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据
消息报文不包含源地址或者目标地址，仅通过标识符表明消息功能和优先级；
基于固定消息格式的广播式总线系统，短帧结构；
事件触发型，只有当有消息要发送时，节点才向总线上广播消息；
可以通过发送远程帧请求其它节点发送数据；
消息数据长度0~8Byte；
节点数最多可达110个；
错误检测功能。所有节点均可检测错误，检测错误的单元会立即通知其它所有单元；
发送消息出错后，节点会自动重发；
故障限制，具有自动关闭总线的功能，节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误，当总线上发生持续数据错误时，控制器可将节点从总线上隔离，以使总线上的其他操作不受影响；
通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般使用最便宜的双绞线；
理论上，CAN总线用单根信号线就可以通信，但还是配备了第二根导线，第二根导线与第一根导线信号为差分关系，可以有效抑制电磁干扰；
直接通信距离最远可达10KM(速率4Kbps以下)，通信速率最高可达1MB/s(此时距离最长40M)；
总线上可同时连接多个节点，可连接节点总数理论上是没有限制的，但实际可连接节点数受总线上时间延迟及电气负载的限制。
每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据错误率极低；
废除了传统的站地址编码，取而代之的是对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要。

CAN总线具体以下优势：

CAN节点组成

CAN节点通常由三部分组成：CAN收发器、CAN控制器和MCU。

CAN总线通过差分信号进行数据传输，CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号，或者将TTL电平信号转换为差分信号，CAN控制器将TTL电平信号接收并传输给MCU，如下图所示：

目前，我们常用的STM32、华大、瑞萨等单片机内部就集成了CAN控制器外设，通过配置就可实现对CAN报文数据的读取和发送。

CAN总线结构

CAN总线是一种广播类型的总线，可支持线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。CAN网络中至少需要两个节点设备才可进行通信，无法仅向某一个特定节点设备发送消息，发送数据时所有节点都不可避免地接收所有流量。但是，CAN总线硬件支持本地过滤，因此每个节点可以设置对有效的消息做出反应。

线形拓扑是在一条主干总线分出各个节点支线，其优点在于布线施工简单，接线方便，阻抗匹配规则固定，缺点是拓扑不够灵活，在一定程度上影响通讯距离，如下图所示：

星形拓扑是每个节点通过中央设备连到一起，其优点是容易扩展，缺点是一旦中央设备出故障会导致总线集体故障，而且分支线长不同，阻抗匹配复杂，可能需要通过一些中继器或集线器进行扩展，如下图所示：

树形拓扑是节点分支比较多，且分支长度不同，其优点是布线方便，缺点是网络拓扑复杂，阻抗匹配困难，通讯中极易出现问题，必须加一些集线器设备，如下图所示：

环形拓扑是将CAN总线头尾相连，形成环状，其优点是线缆任意位置断开，总线都不会出现问题，缺点是信号反射严重，无法用于高波特率和远距离传输，如下图所示：

虽然CAN总线可以支持多种网络拓扑，但在实际应用中比较推荐使用线形拓扑，且在IOS 11898-2中高速CAN物理层规范推荐也是线形拓扑。

在ISO 11898-2和ISO 11898-3中分别规定了两种CAN总线结构（在BOSCH CAN2.0规范中，并没有关于总线拓扑结构的说明）。

ISO 11898-2中定义了通信速率为125Kbps～1Mbps的高速闭环CAN通信标准，当通信总线长度≤40米，最大通信速率可达到1Mbps，高速闭环CAN（高速CAN）通信如下图所示：

ISO 11898-3中定义了通信速率为10～125Kbps的低速开环CAN通信标准，当传输速率为40Kbps时，总线距离可达到1000米。低速开环CAN（低速容错CAN）通信如下图所示：

CAN总线物理电气特性

在CAN总线上，利用CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号。CAN 总线上的电位差分为显性电平（Dominant Voltage）和隐性电平（Recessive Voltage），其中显性电平为逻辑 0，隐性电平为逻辑 1。

高速CAN总线（ISO 11898-2，通信速率为125Kbps～1Mbps）在传输显性（0）信号时，会将 CAN_H端抬向5V高电平，将CAN_L拉向0V低电平。

当传输隐性（1）信号时，并不会驱动 CAN_H 或者 CAN_L 端。显性信号 CAN_H 和 CAN_L 两端差分标称电压为 2V。终端电阻在没有驱动时，将差分标称电压降回 0V。显性信号（0）的共模电压需要在 1.5V 到 3.5V 之间。隐性信号（1）的共模电压需要在+/-12V。

低速/容错CAN（ISO 11898-3，通信速率为10～125Kbps）在传输显性信号（0）时，驱动CANH端抬向5V，将CANL端降向0V。

在传输隐性信号（1）时并不驱动CAN 总线的任何一端。在电源电压VCC为5V时，显性信号差分电压需要大于2.3V，隐性信号的差分电压需要小于0.6V。CAN总线两端未被驱动时，终端电阻使CAN L端回归到RTH电压（当电源电压VCC为5V时，RTH电压至少为Vcc-0.3V=4.7V），同时使CAN H端回归至RTL电压（RTL电压最大为0.3V）。两根线需要能够承受-27V至40V的电压而不被损坏。