从零读懂CAN总线（上）

概要

上世纪八十年代以来，汽车ECU越来越多，如ABS，电控门窗，电子燃油喷射装置。如果仍然采用常规的点对点布线方式，即电线一段与开关相接，另一端与用电设备相通，将会导致车上电线数目的急剧增加，从而带来线束的冗余及维修成本的提高。这就对汽车的线束分布及信息通讯提出了更高的要求。总线技术可以实现信息的实时共享，解决了传统布线方式中线束多，布线难，成本高等问题，CAN（Controller Area Network）总线技术应运而生。

点对点通信

总线通信

CAN总线是由德国研发和生产汽车电子产品著称的BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11519），是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统。传统总线系统如USB或以太网等是在总线控制器的协调下，实现从A节点到B节点大量数据的传输。CAN网络的消息是广播式的，即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的，它是一种基于消息广播模式的串行通信总线。

CAN总线的很多优点，使得它得到了广泛的应用，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。

CAN总线标准

CAN总线标准之规定了物理层和数据链路层，至于应用层需要用户自定义。不同的CAN标准仅物理层不同。物理层和数据链路层：ISO11898；应用层：不同的应用领域使用不同的应用层标准。

CAN物理层

CAN拓扑网络

连接在CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），CAN网络的拓扑一般为线型。线束最常用的是双绞线，线上传输为对称的差分电平信号。下图为CAN总线网络示意图，节点主要包括Host、控制器和收发器。Host常集成有CAN控制器，CAN控制器负责处理协议相关功能，以减轻Host的负担。CAN收发器将控制器连接到传输媒介。通常控制器和总线收发器通过光耦或磁耦隔离，这样即使总线上过压损坏收发器，控制器和Host设备也可以得到保护。

在发送数据时，CAN控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx线发送到CAN收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High和CAN_Low输出到CAN总线网络。接收数据过程，相反。采用差分信号，可以取得更好的电磁兼容效果。因此，CAN总线物理传输媒介只需要两根线。

高速CAN总线最高信号传输速率为1Mbps，支持最长距离40m。ISO11898-2要求在高速CAN总线两段安装端接电阻RL（端接电阻一般为120Ω，因为电缆的特性阻抗为120 Ω，为了模拟无限远的传输线。）以消除反射。低速CAN最高速度只有125Kbps，所以ISO11898-3没有端接要求。

因为传输距离越大，信号时延也越大，为了保证消息的正确采样，总线上的信号速率相应也要下降。下图是推荐的信号速率与距离的关系。

CAN收发器

CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫Fault
Tolerance CAN，指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。如同串口中的MAX3232用作电平转换，CAN收发器的作用则是把逻辑信号转换为差分信号。

差分信号

CAN总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。在差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根差分信号线的电压差来表示。当处于逻辑1，CAN_High和CAN_Low的电压差小于0.5V时，称为隐性电平（Recessive）；当处于逻辑0，CAN_High和CAN_Low的电压差大于0.9V，称为显性电平（Dominant）。

高速CAN

低速容错CAN （Fault Tolerance CAN）

CAN总线遵从“线与”机制：“显性”位可以覆盖“隐性”位；只有所有节点都发送“隐性”位，总线才处于“隐性” 状态。这种“线与”机制使CAN总线呈现显性优先的特性。

CAN总线连接器

下一部分将介绍CAN总线数据链路层，和CAN总线同步机制。

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