(完整版)CAN总线解析

一、概述

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

想到CAN就要想到德国的Bosch公司，因为CAN就是这个公司开发的（和Intel）CAN 有很多优秀的特点，使得它能够被广泛的应用。比如：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，很多MCU也集成了CAN控制器。现在每一辆汽车上都装有CAN总线。

一个典型的CAN应用场景：

二、CAN总线标准

CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户来自定义应用层。不同的CAN标准仅物理层不同。

CAN收发器负责逻辑电平和物理信号之间的转换，将逻辑信号转换成物理信号（差分电平）或者将物理信号转换成逻辑电平。

CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。(有信号时，CANH 3.5V,CANL 1.5V，即显性；没有信号时，CANH 2.5V，CANL 2.5V，即隐性)

IOS11898高速CAN电平中，高低电平的幅度低，对应的传输速度快。

双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。

2.1物理层

CAN有三种接口器件

多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有的节点都输出高电平时，才为高电平。所谓“线与”。

CAN总线有5个连续性相同的位后，就会插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累计误差。

和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。

CAN总线终端电阻的接法：

特点：低速CAN在CANH和CANL上串入2.2kΩ的电阻；高速CAN在CANH和CANL 之间并入120Ω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。（因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。）

120欧姆只是为了保证阻抗完整性，消除回波反射，提升通信可靠性的，因此，其只需要在总线最远的两端接上120欧姆电阻即可，而中间节点并不需要接（接了反而有可能会引起问题）。因此各位在使用CAN Omega做CAN总线侦听的时候，大多数情况下是不需要这个120欧姆电阻的，当然，即使当前网络中并没有终端匹配电阻，只要传输线长度不长（比如SysCan360比赛环境中，传输线只有1-2米）CAN节点数量不多的情况下，不要这个120欧姆电阻也完全可以工作，甚至，你接任意电阻都是不会有影响的。因为此时传输线长度和波长还相差甚远，节点不多的情况下，反射波的叠加信号强度也不会很强，因此传输线效应完全可以忽略。

而哪些情况需要呢，主要就是，当使用2个CAN Omega对发或者当前网络中仅有2个CAN设备的时候，此时两个端点最好都加上终端匹配电阻，当然，前面也说过了，传输线长度不长的时候，也可以不需要2端120欧姆电阻，但为了信号完整性考虑，加上这两个电阻才是严谨的。

2个120欧姆电阻的意义在于，使用USB CAN调试某些不带终端电阻的中间节点设备时，有时候CAN总线上没有2个120欧姆电阻通信可能会异常，此时可以接入2个120欧姆电阻作为2个终端电阻来作阻抗匹配，这时候其他端点不应接入任何终端电阻！并且，这2个120欧姆电阻不可用1个60欧姆电阻代替！

125kHz载波的波长大概在(c / f) = (3e8m/s) / (125e3Hz)=2.4km，其临界长度为2.4kM

/ 10 = 240m >> 2m，也即传输线长度不超过240m，分布阻抗带来的影响可以忽略不计2.2数据链路层

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。

数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收

数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节

点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。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）

2.3帧起始

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。

2.4仲裁段

CAN总线是如何解决多点竞争的问题？由仲裁段给出答案。

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。

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。

2.5控制段

共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。

2.6数据段

为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域；

2.7CRC段

CRC校验段由15位CRC值和CRC界定符组成。

2.8ACK段

当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时，它将在ACK段发送一个显性电平，发送节点发送隐性电平，线与结果为显性电平。

2.9远程帧

远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1（隐性电平）

CAN是可靠性很高的总线，但是它也有五种错误。

CRC错误：发送与接收的CRC值不同发生该错误；

格式错误：帧格式不合法发生该错误；

应答错误：发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误；

位发送错误：发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误；

位填充错误：通信线缆上违反通信规则时发生该错误。

当发生这五种错误之一时，发送节点或接受节点将发送错误帧

为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN协议规定了节点的3种状态及行为。

2.10过载帧

当某节点没有做好接收的"准备"时，将发送过载帧，以通知发送节点。