Controller Area Network (CAN) 通信机制简介
目录
1. CAN 概述
2. 物理结构与传输机制
3. 消息格式与仲裁机制
4. 错误检测与总线状态
5. 工业用 CAN 接口
6. 本讲总结
1. CAN 概述
CAN（Controller Area Network）是由德国博世（Bosch）公司于 1983 年提出的串行通信协议，最初用于汽车内部多个电子控制单元（ECU）之间的数据通信。CAN 总线有以下特点：
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多主结构：任意节点都可以在总线空闲时发起通信，支持分布式控制系统；
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实时性高：通过优先级仲裁机制保证高优先级信息的快速响应；
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通信可靠性强：内置多重错误检测机制；
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抗干扰性强：差分信号传输 + 双绞线结构；
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应用广泛：除汽车外，在工业自动化、电梯、轨道交通、医疗设备等领域被大量采用。
CAN 在工业发展中已经进行过多次的升级和演进。最初的 Classic CAN（标准 CAN）支持最大数据帧为 8 字节。Bosch 在 2012 年推出了 CAN FD（Flexible Data Rate），为标准 CAN 的增强型协议，支持高达 64 字节数据，速率提升到 5Mbps。CANopen 和 SAE J1939 是基于 CAN 的上层协议，提供数据组织和设备管理规范。
2. 物理结构与传输机制
CAN 在物理层采用差分信号传输，即 CAN_H（高线）与 CAN_L（低线）之间的电压差来表示逻辑状态，理论上用双绞线就可以实现，如下图所示：
差分电压信号分为显性与隐性信号两种，分别代表逻辑 0 和 1，如下表所示：
| 状态 | CAN_H | CAN_L | 差值 | 逻辑 |
|---|---|---|---|---|
| 显性（Dominant） | ~3.5V | ~1.5V | ~2V | 逻辑 0 |
| 隐性（Recessive） | ~2.5V | ~2.5V | ~0V | 逻辑 1 |
CAN 将信号转换成一系列的电压差来进行传送。CAN 通常为 总线型结构，两端会接 120Ω 终端电阻，吸收信号反射，如下图所示：
CAN 总线的最大传输距离是和传输速率（波特率）有直接关系的，下表根据经验给出了一个大概的关系：
| 波特率 | 最大距离（理论） |
|---|---|
| 1 Mbps | 40 米 |
| 500 kbps | 100 米 |
| 125 kbps | 500 米 |
实际应用中，传输距离受很多因素影响。但是我们可以看到速率越高，支持的距离会越短。
3. 消息格式与仲裁机制
CAN 采用 帧格式 来组织通信数据。每一帧都是广播的，所有节点都能接收，根据 ID 来决定是否处理。CAN 常用的帧类型有以下四种：
| 类型 | 用途 |
|---|---|
| 数据帧 | 正常通信的数据负载传输 |
| 远程帧 | 请求其他节点发送某类数据 |
| 错误帧 | 报告帧错误（由接收/发送节点主动发送） |
| 过载帧 | 通知总线稍等片刻（如缓存溢出） |
这里我们重点介绍一下数据帧。数据帧的结构如下图所示：
这里进行一下简单的介绍：
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标识符（ID）：代表消息类型，也决定优先级（数值越小优先级越高）；
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RTR 位：区分数据帧和远程帧；
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CRC（校验）：检测传输错误；
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ACK（响应）：确认接收响应位。
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Data（数据）: 传输的数据，最高8字节。
CAN（Controller Area Network）总线的仲裁机制是一种非破坏性位仲裁方式。当多个节点几乎同时开始发送数据时，它们会在发送过程中监视总线电平。CAN 使用“优先级”机制：帧的标识符越小，优先级越高。发送过程中，如果某个节点发送的是显性位（0）而检测到的是隐性位（1），说明有更高优先级的消息正在传输，该节点会立即停止发送，从而实现无冲突的仲裁和总线访问控制。
4. 错误检测与总线状态
CAN 协议对错误处理十分严格，具备多级检测与恢复机制。CAN 有五种错误检测机制：
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位错误（Bit Error）：发送位与检测到的位不同；
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填充错误（Stuff Error）：违反“5 个相同位后自动插入反位”规则；
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CRC 错误：校验字段不匹配；
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格式错误（Form Error）：帧结构字段异常；
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ACK 错误：期望有节点应答却未收到 ACK。
如果发现错误，CAN 还有不同的错误处理机制，比如：
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主动错误帧（Active Error Frame）：节点发现错误并通知所有节点；
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被动错误帧（Passive Error Frame）：错误次数过多后被动报告，不再主动干扰总线；
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总线关闭（Bus-Off）：连续错误严重，节点完全断开，不再参与通信（例如失控 ECU）；
CAN 的错误检测与总线状态是个很重要的话题，我们这里不做过多的介绍，之后会单独开一篇教程讲解不同的错误检测机制。
5. 工业用 CAN 接口
虽然 CAN 总线只需要两根信号线（CAN_H 和 CAN_L） 进行通信，但在实际设备或开发板上的CAN 接口会出现多个“插头”或“针脚”，额外的“头”不仅用于信号线，还包括供电、接地、终端电阻控制、备用信号或诊断功能等，见下表：
| 接口引脚 | 用途说明 |
|---|---|
CAN_H | 差分信号：高线 |
CAN_L | 差分信号：低线 |
GND（接地） | 电源地线，用于参考和抗干扰 |
V+ / Vbat | 电源供电（如 12V/24V） |
STB / EN | 芯片工作/待机控制信号（控制 CAN 芯片开关） |
RS | 可调终端电阻设置（如 SN65HVD230 有此功能） |
NC | 预留 / 未接 |
在使用的时候，要根据具体情况具体分析，并仔细阅读使用手册和文档。
6. 本讲总结
在这篇博文中，我们简单的介绍了 CAN 的基本原理，网络结构，数据传输和仲裁机制，我们在之后的博文中，针对部分内容，进行更深入的解析。
参考文献：
1. can口9针定义_can口定义-CSDN博客
2. 常用通信接口电气特征（六）：CAN_can接口-CSDN博客
3. 详解CAN总线：常用CAN连接器的使用方法_dsub9 can-CSDN博客