CAN通信协议入门

CAN（Controller Area Network）通信协议是工业控制、汽车电子等领域极其重要的串行通信总线标准。它以其高可靠性、实时性、抗干扰能力和多主机结构而著称。下面是关于系统性地入门CAN协议的整理：

一、 CAN协议的核心设计目标

1. 可靠性： 在电磁干扰强烈的环境（如汽车引擎舱）下稳定工作。
2. 实时性： 对传输延迟有严格要求，关键信息能优先发送。
3. 多主结构： 没有传统意义上的“主/从”机之分，网络上任何节点都可以在总线空闲时主动发送信息（广播）。
4. 基于优先级的总线访问： 通过非破坏性的“仲裁”机制解决多个节点同时发送的冲突，让高优先级的信息先发送。
5. 广播通信： 一个节点发送的信息，所有其他节点都能收到（但可以选择是否处理）。
6. 错误检测与处理： 内置强大的错误检测机制（CRC、位填充、ACK、帧检查等）和错误处理（节点自动关闭输出）。

二、 CAN协议的核心概念

1. 差分信号：

   • CAN使用两条线传输信号：CAN_H和CAN_L。
   • 信号状态由两条线之间的电压差表示：
     • 显性电平： CAN_H - CAN_L ≈ 2V (通常代表逻辑 0)。这是总线上的“强势”状态。
     • 隐性电平： CAN_H - CAN_L ≈ 0V (通常代表逻辑 1)。这是总线上的“弱势”状态。
   • 优点： 抗共模干扰能力强（比如电源噪声同时影响两条线时，电压差基本不变）。

2. 总线拓扑：

   • 所有节点（ECU - Electronic Control Unit）都挂接在一条总线上（CAN_H和CAN_L）。
   • 总线两端需要终端电阻（通常是120Ω），用于匹配线路阻抗，消除信号反射。

3. 消息帧（Message Frame）：

   • CAN通信的基本单位是“帧”（Frame）。节点发送数据时，是以“帧”的形式广播出去的。
   • 标准帧： 11位标识符（ID），数据域最多8字节。
   • 扩展帧： 29位标识符（ID），数据域最多8字节（使用更广泛）。
   • 关键字段：
     • 标识符： 唯一标识一个消息（在同一个网络上不能重复）。它决定了消息的优先级！ID值越小，优先级越高。 非常重要！
     • 数据长度码： 指示数据域包含的字节数（0-8）。
     • 数据域： 实际要传输的数据（0-8字节）。虽然短，但适合传输控制指令、状态信息等。
     • CRC： 循环冗余校验码，用于接收方检查数据是否正确。
     • ACK槽： 发送方会留一个位时间（ACK Slot）。所有正确接收到该帧（无CRC错误） 的节点，无论其是否需要该帧数据，都会在这个槽内发送一个显性位（0）来应答发送方。如果发送方没收到ACK，就知道发送失败，会尝试重发。

4. 非破坏性逐位仲裁：

   • 核心机制： 当多个节点同时开始发送时，它们一边发送自己的ID位，一边监听总线状态。
   • 仲裁规则：
     • 节点发送隐性位(1)，但监听到总线是显性位(0) -> 说明有更高优先级的节点在发送显性位 -> 本节点立即停止发送，转为接收模式。
     • 节点发送显性位(0)，监听到总线也是显性位(0) -> 继续发送。
     • 节点发送隐性位(1)，监听到总线也是隐性位(1) -> 继续发送。
   • 结果： 优先级最高（ID值最小）的帧会赢得仲裁，完整发送出去。其他节点在仲裁过程中退出发送，并在总线空闲后自动重试。这个过程不会破坏正在发送的高优先级帧的数据。

5. 错误检测与处理：

   • CAN协议设计了5种错误检测机制：
     • 位监控： 发送节点同时监听总线，确保发送的位与读回的位一致。
     • 位填充： 为了保证同步，在连续发送5个相同极性位后，自动插入一个相反极性的位。接收方会删除这个填充位。如果检测到连续6个相同位，就认为是错误（填充规则违反）。
     • 帧检查： 检查帧格式中固定格式位（如CRC界定符、ACK界定符、帧结束等）是否正确。
     • CRC校验： 接收方独立计算CRC，并与收到的CRC比较。
     • ACK检查： 发送方检查是否在ACK槽收到了显性位。
   • 错误处理：
     • 每个节点内部有一个发送错误计数器和接收错误计数器。
     • 检测到错误时，节点会立即发送一个“错误帧”（连续6个显性位）来主动破坏当前总线上的错误传输，通知所有节点。
     • 根据错误类型（是发送错误还是接收错误）和严重程度，计数器会增加。
     • 当计数器超过一定阈值时，节点会进入不同的错误状态（错误主动 -> 错误被动 -> 总线关闭），限制其发送能力，避免故障节点持续干扰总线。

三、 CAN协议的分层模型（OSI简化版）

• 物理层： 定义电气特性（电压、信号、线缆、连接器、终端电阻）、比特率（常见125kbps, 250kbps, 500kbps, 1Mbps）。负责实际电平转换和收发。
• 数据链路层： 这是CAN协议的核心。包含：
  • LLC (Logical Link Control)： 帧接收过滤、过载通知、恢复管理。
  • MAC (Medium Access Control)： 帧封装/解封、帧编码（位填充）、错误检测/信令、仲裁、ACK应答、串行化/反串行化。定义帧结构和总线访问规则（仲裁）。
• 应用层： CAN协议本身不定义应用层！它只负责可靠地传输原始数据帧。实际应用中需要更高层的协议来定义数据的含义、命令、状态、网络管理、节点诊断等。常见的基于CAN的应用层协议有：
  • CANopen： 广泛应用于工业自动化、医疗设备等。
  • J1939： 商用车（卡车、客车、工程机械、船舶）标准。
  • DeviceNet： 工业自动化领域。
  • ISO-TP (ISO 15765-2)： 用于在CAN上传输超过8字节的长数据（如汽车诊断UDS/OBD-II）。

四、 CAN协议的特点总结

• 优点：
  • 高可靠性和强大的错误处理能力。
  • 实时性好（基于优先级仲裁）。
  • 多主结构，灵活组网。
  • 抗干扰能力强（差分信号）。
  • 成本相对较低（双绞线即可）。
• 缺点：
  • 数据负载较小（最大8字节/帧），传输大块数据效率低（需上层协议如ISO-TP分包）。
  • 协议本身不定义数据含义（需应用层协议）。
  • 带宽有限（最高1Mbps，实际常用500kbps或更低）。
  • 总线拓扑长度和速度成反比（1Mbps时典型长度<40米）。

五、 典型应用领域

• 汽车电子： 发动机控制、变速箱控制、ABS、安全气囊、车身控制（门窗、灯光）、仪表盘、信息娱乐系统等。现代汽车可能有多个CAN网络（高速CAN, 低速容错CAN）。
• 工业自动化： PLC、传感器、执行器、电机驱动器、HMI之间的通信。
• 医疗设备： 医疗仪器内部组件通信。
• 楼宇自动化： 电梯控制、HVAC系统。
• 航空航天： 飞机内部子系统通信（有更严格的变种如CAN Aerospace）。
• 船舶： 发动机监控、导航系统。