详解 CAN 总线：什么是 CAN 总线？

2022 年 8 月 18 日
北京
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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。

BOSCH CAN规范原文V2.0-嵌入式文档类资源 CAN ISO11898全套协议-嵌入式文档类资源 NXP—CAN Bit Timing Requirements-行业报告文档类资源 TI-Introduction to the Controller Area Network(CAN)-行业报告文档类资源

1、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

拓展学习：CAN在自动化中的应用（CiA）：CAN技术的历史 (can-cia.org)

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，检测处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：

2、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。

3、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：

4、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。