CAN总线基本原理

[导读]控制器局域网 (CAN) 总线由博世于 20 世纪 80 年代开发，是工业和汽车应用中常用的通信协议。它的开发是为了改善电子控制单元 (ECU) 之间的数据交换，从而提高车辆的系统效率。

控制器局域网 (CAN) 总线由博世于 20 世纪 80 年代开发，是工业和汽车应用中常用的通信协议。它的开发是为了改善电子控制单元 (ECU) 之间的数据交换，从而提高车辆的系统效率。1993 年，CAN 被纳入工业和汽车应用中作为国际标准通信系统 ISO 11898。

它是一种基于消息的协议，最初设计用于汽车内的多路电线以节省铜缆，但它也用于许多其他环境。

它是一种通信方法，允许车辆系统和设备相互通信，从汽车的立体声音响到 ABS 系统。CAN 总线是对等 ECU 和其他设备之间交换指令的媒介。

CAN总线基本原理

控制器局域网 (CAN) 总线按照分散式网络原理运行，网络上的所有节点(或设备)传输数据的能力都是平等的。这与中央主设备控制通信的传统网络模型不同。

CAN总线数据传输

在CAN网络中，任何节点都可以在总线空闲时传输数据。该数据以帧的形式发送，其中包含正在传输的信息以及用于错误检查和识别的附加数据。

CAN 总线按照“广播”原理运行，这意味着所有节点都会接收所有传输。然后每个节点根据 CAN 帧中的标识符决定是忽略数据还是接受数据。该标识符不是源地址或目标地址，而是指示消息内容的标签。这意味着多个节点可以接收和处理相同的消息，这在多个系统可能需要相同数据的汽车应用中特别有用。这也意味着特定节点无法根据其地址向特定节点发送消息。

CAN总线系统中的数据传输基于差分两线接口(取代复杂的线束和连接器)，从而增强了车辆电噪声环境中的抗噪声能力。CAN-高 (CANH) 和 CAN-低 (CANL) 两条线携带互补信号。当节点传输显性 (0) 信号时，CAN-High 的电压电平高于 CAN-Low。相反，当传输隐性 (1) 信号时，CAN-High 和 CAN-Low 都处于相同的电压电平。

数据以帧的形式传输，帧由多个字段组成。其中最重要的是标识符字段和数据字段。标识符字段包含消息的标识符，接收节点使用该标识符来确定是否接受该消息。数据字段包含正在传输的实际数据，在标准 CAN 中最多可达 8 个字节，在 CAN FD(灵活数据速率)中最多可达 64 个字节。

CAN 总线中的数据传输受带冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD)原理的控制。这意味着每个节点都会监视总线(载波侦听)并在总线空闲时进行传输(多路访问)。如果两个节点同时传输(冲突)，则标识符值较低的节点继续传输，而另一个节点停止传输。这是因为显性位会覆盖总线上的隐性位，并且较低的标识符(较低的数值)在 CAN 帧的开头具有更多的显性位。这种机制确保首先传输最高优先级的消息(具有较低标识符的消息)。

控制器局域网总线(CAN，Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，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协议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用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。

由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出了更严格的要求。1991年CAN总线技术规范(Version2.0)制定并发布。该技术规范共包括A和B两个部分。

其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。美国的汽车工程学会SAE在2000年提出了J1939协议，此后该协议成为了货车和客车中控制器局域网的通用标准。CAN总线技术也在不断发展。传统的CAN是基于事件触发的，信息传输时间的不确定性和优先级反转是它固有的缺陷。当总线上传输消息密度较小时，这些缺陷对系统的实时性影响较小;但随着在总线上传输消息密度的增加，系统实时性能会急剧下降。为了满足汽车控制对实时性和传输消息密度不断增长的需要，改善CAN总线的实时性能非常必要。

于是，传统CAN与时间触发机制相结合产生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN总线和传统CAN总线系统的区别是：总线上不同的消息定义了不同的时间槽(Timer Slot)。

简单来说CAN总线就如两根黄线，通信的原理就好比开一个电话会议，大家都同时拨进来，然后有各种不同的状态，比如：一个人说话，其他人听;或者多个人同时想发言，但也会让其中一个人先说，其他人听;还有一个人要求另一个人来说;还有些掉线了，卡顿了等等。

为了确保每次电话会议针对上述情况正确有效地进行，我们需要一些每个人都应该遵守的规则或协议。CAN总线通信与这种电话会议形式既有相似之处，也有不同之处。那究竟什么是CAN总线通信?

CAN总线架构简介

CAN总线是一种用于不同控制单元之间数据传输的导线。CAN总线协议是ISO国际标准化的串行通信协议，由两个系列组成：ISO-11898和ISO-11519。其定义有：

ISO-11898 定义了通信速率为 125 Kbps ~1Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度≤ 40米。

ISO11519 定义了通信速率为 10～125 Kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米。

CAN的应用

CAN总线会有终端电阻，一般来说都是120欧姆，实际上在设计的时候，也是两个60欧姆的电阻串起来的，而总线上一般有两个120欧姆的节点。终端电阻的作用有三个：

①提高干扰防护能力，快速消除高频低能量信号。

②确保总线快速进入隐藏状态，这样寄生电容器的能量可以更快地耗散。

③通过将它们放置在总线两端以减少反射能量来提高信号质量。