CAN总线知识梳理

什么是CAN总线？

概述

CAN(Controller Area Network)是二十世纪八十年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多电控单元（ECU——Electric Controll Unit)之间的数据交换而开发的一种多主机局部网络串行通讯协议。

CAN发展时间线

1983年由Bosch和Intel共同开发

1986年 Bosch在SAE大会上正式公布CAN协议

1987年 Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年 Bosch颁布CAN2.0技术规范（分为a，b两个部分）

1991年 CAN最早在Benz S系列轿车上实现

1993年 ISO颁布CAN国际标准ISO-11898（这个国际标准下是高速CAN，在ISO-11519中规定了低速容错CAN）

1994年 Cia组织举办第一届国际CAN大会（iCC）

2005年 Cia在中国举办了第一场CAN研讨会

2015年 CAN FD的ISO标准化

2020年 CAN XL登场第十七届iCC大会

CAN总线在汽车网络上的应用以及CAN总线和其他现场总线的对比（速率与经济性）

为什么采用CAN？

传统方案的弊端

过去，汽车通常采用常规的点对点通信方式将电子控制单元及电子装置连接起来，但随着电子设备的不断增加，导线数量也随之增多，让整个系统变得更为笨重，成本也很高。

CAN总线的优势

从传输速度角度
- 数据传输速度相对较高，可达到1 Mbit/s。（此时距离最长40m；通信距离最远可以达到10km，但是速率会降到5kbps以下）（CAN-FD和CAN-XL分别可以达到2 Mbit/s和10 Mbit/s。）
从成本角度
- 多主通信模式，从而降低节点设计成本
- 采用双绞线作为通信介质，从而降低布线成本
从可靠性角度
- 采用差分数据线，抗干扰能力强
- 使用CRC校验方式，具有错误侦听的自我诊断功能，通信可靠信较高
- 报文帧仲裁失败或传输期间被破坏有自动重发机制
- 节点在错误严重的情况下，具有自动脱离总线的功能，切断与总线的联系，不影响总线的正常工作（错误帧自我诊断）
从实时性角度
- 采用短帧结构，报文帧的有效字节数是8个
- 报文ID越小，优先级越高。报文ID分为不同的优先级，进一步满足网络报文的实时性要求
- 非破坏性总线仲裁处理机制
驱动单元数量角度
- 理论上可以带动110个节点

CAN总线理论知识学习

CAN总线硬件连接以及相关概念介绍

(图中ABS，SAS等模块就是汽车上的各个ECU节点)

一个节点包含三个主要部分，微控制器、CAN控制器、CAN收发器
- CAN收发器：进行数字信号和模拟信号的转换（在总线上传输的是模拟信号，而微控制器处理的是数字信号，在中间需要一个模数转换的桥梁，CAN收发器的部分职责就是模数信号的转换）
- CAN控制器：从控制单元中的微控制器接收数据，处理数据并将其传输到CAN收发器。同时，CAN控制器还接收CAN收发器接收到的数据，对数据进行处理，并将其传输给微处理器。
- 有的微控制器内部已经集成了CAN控制器，所以在电路连接时可以省略CAN控制器
所有节点通过两条线连接起来。两条线分别称为CAN_H和CAN_L。如果要求不高，一般用带屏蔽的双绞线就可以了
网络的两端必须有120Ω的终端电阻。所以在设计线路板的时候都要有一个120欧的电阻。

CAN总线物理电气特性

差分电平传输

什么是差分电平信号传输？

CAN BUS上的电平信号(CAN_diff)在模拟量上等于CAN_H电平与CAN_L电平的差值（即CAN_diff=CAN_H-CAN_L)
收发器发送的数字逻辑信号和总线上的模拟信号对应如下
注： 1）CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。这里讲的是IOS11898

2）不同类型CAN总线相应的CAN_H和CAN_L值也不尽相同
实例：当CAN控制器向总线上发送逻辑“1”时，CAN收发器将逻辑“1”的数字信号转换为CAN_H上的模拟电平2.5V、CAN_L上的模拟电平2.5V，总线上传递的CAN_diff即为0V，这是一个隐形电平

为什么采用差分信号传输？

采用差分信号可以提高信号传输的鲁棒性，减少外界噪音的干扰，如下图所示

当外界输入噪声时，CAN_H和CAN_L会产生相同的波动，CAN_diff值不受影响

CAN报文帧种类

序号	名称	用途
1	数据帧	用于发送单元向接收单元传送数据的帧。
2	遥控帧	用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧。
3	错误帧	用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。（硬件自动完成）
4	过载帧	当一个节点正忙于处理接收的信息,可以通知其它节点暂缓发送新报文。（硬件自动完成）
5	帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧（硬件自动完成），由三个连续的隐性位构成

错误帧、过载帧、帧间隔都是硬件自动完成的，无法由软件实现控制。对于使用者而言，只需要掌握数据帧和遥控帧
数据帧和遥控帧又分为标准格式和扩展格式
标准格式有11位标识符，而扩展格式有29位标识符

遥控帧结构图

数据帧结构图

可以看出——数据帧和遥控帧最明显的区别就是有没有数据段

帧结构各段详解

序号	名称	描述
1	帧起始	表示帧的起始，产生一个bit的显性电平（逻辑0）
2	仲裁段	表示帧的优先级，由标识符（ID）和传送帧类型(RTR)组成。
3	控制段	表示数据的字节数，由6个bit组成
4	数据段	数据发送的具体内容，可产生0-8个字节的数据
5	CRC段	校验传输帧的正确性
6	ACK段	表示确认是否正常接受
7	帧结束	表示此帧结束，由七个连续的隐性电平构成

什么时候认定总线空闲？

当连续监测到11个隐形位时认定总线空闲（bus idle），即7（帧结束）+4（帧间隔）+1（SOF，SOF只有为显性电平时会启动一个新的帧，监测到0就是没有发送新的帧，即总线空闲）

仲裁段

仲裁段里含有CAN通信中一项非常重要的信息（ID），你可以把它当成是每一个报文的名字，每个CAN device可以发送多条不同的ID报文。每一个总线节点的CAN控制器中都有一个东西叫过滤器，通过设置相关寄存器能够配置它，一旦设置好，CAN控制器会根据你的设置，自动去判断要不要接收报文，这部分完全由硬件实现，这个判断要不要接收的过程，也叫过滤，判断的依据就是每个报文的ID。
扩展格式的ID具有比标准格式更多的位数，从而有更高的ID容量
标准格式的标识符长度的是11位，紧随其后的是RTR位，用于表明此帧是数据帧还是远程帧（逻辑0是远程帧，逻辑1为数据帧）。IDE位用于表明此帧是标准帧还是扩展帧（逻辑0为标准帧，逻辑1为扩展帧）。
扩展格式的标识符长度的是29位，紧随其后的是RTR位，用于表明此帧是数据帧还是远程帧。IDE位用于表明此帧是标准帧还是扩展帧。