什么是CAN總線

CAN總線是一種高性能、高可靠性的串行通訊協(xié)議總線，主要用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的場(chǎng)合，如汽車中的各種不同元件之間的通信。CAN總線采用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，具有高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，CAN總線具有完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、11位的尋址以及檢錯(cuò)能力等特點(diǎn)。在汽車行業(yè)中，CAN總線已經(jīng)成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，廣泛應(yīng)用于汽車和其他自動(dòng)化領(lǐng)域中。

CAN總線工作原理

CAN總線的工作原理基于廣播方式，通過(guò)標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)是否發(fā)送給自己的，并使用差分信號(hào)傳輸來(lái)保證可靠性和實(shí)時(shí)性。

CAN總線數(shù)據(jù)傳輸原理，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的CPU將將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和標(biāo)識(shí)符發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的CAN芯片，并使其進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。一旦該CAN芯片收到總線分配，就變?yōu)榘l(fā)送報(bào)文狀態(tài)，該CAN芯片將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組成規(guī)定的報(bào)文格式發(fā)出。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)，所有節(jié)點(diǎn)都要先對(duì)其進(jìn)行接收，通過(guò)檢測(cè)來(lái)判斷該報(bào)文是否是發(fā)給自己的。（CAN總線通信實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文帶ID標(biāo)識(shí)教程）

CAN總線使用差分信號(hào)傳輸，通過(guò)在CANH和CANL上傳輸差分信號(hào)來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。差分信號(hào)傳輸方式具有抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)（如何提高CAN總線抗干擾能力？）。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。當(dāng)一個(gè)站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其他站處于接收狀態(tài)。一張圖看懂CAN總線的原理：

圖1

根據(jù)圖1中簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)CAN總線就如兩根黃線，通信的原理就好比開一個(gè)電話會(huì)議，大家都同時(shí)撥進(jìn)來(lái)，然后有各種不同的狀態(tài)，比如：一個(gè)人說(shuō)話，其他人聽；或者多個(gè)人同時(shí)想發(fā)言，但也會(huì)讓其中一個(gè)人先說(shuō)，其他人聽；還有一個(gè)人要求另一個(gè)人來(lái)說(shuō)；還有些掉線了，卡頓了等等。

為了確保每次電話會(huì)議針對(duì)上述情況正確有效地進(jìn)行，我們需要一些每個(gè)人都應(yīng)該遵守的規(guī)則或協(xié)議。CAN總線通信與這種電話會(huì)議形式既有相似之處，也有不同之處。那究竟什么是CAN總線通信？

CAN總線架構(gòu)簡(jiǎn)介

CAN總線是一種用于不同控制單元之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?dǎo)線。CAN總線協(xié)議是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，由兩個(gè)系列組成：ISO-11898和ISO-11519。其定義有：

·ISO-11898定義了通信速率為125 kbps ~1Mbps?的高速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長(zhǎng)度?≤ 40米，如圖2。

·ISO11519定義了通信速率為10～125 kbps?的低速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時(shí)，總線長(zhǎng)度可達(dá)1000米，如圖2。

圖2

CAN總線的應(yīng)用

CAN總線會(huì)有終端電阻，一般來(lái)說(shuō)都是120歐姆，實(shí)際上在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也是兩個(gè)60歐姆的電阻串起來(lái)的，而總線上一般有兩個(gè)120歐姆的節(jié)點(diǎn)。CAN總線終端電阻的作用有三個(gè)：

1、提高干擾防護(hù)能力，快速消除高頻低能量信號(hào)；

2、確?？偩€快速進(jìn)入隱藏狀態(tài)，這樣寄生電容器的能量可以更快地耗散；

3、通過(guò)將它們放置在總線兩端以減少反射能量來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量。

圖3

在學(xué)習(xí)CAN總線時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到CAN總線的電平分為顯性電平與隱性電平，那么什么是顯性的和隱性的呢？顯式和隱式邏輯0與邏輯1之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是什么？CAN通信邏輯0和1，顯式和隱式。

電信號(hào)的傳輸是通過(guò)區(qū)分高電壓和低電壓來(lái)進(jìn)行的，就像CAN通信一樣。CAN總線的兩條信號(hào)線是CAN高（CAN_H）和CAN低（CAN_L）。關(guān)于CAN的邏輯0和邏輯1以及CAN總線的顯式和隱式方面，編制了以下圖表，以使每個(gè)人都能清楚地理解。

如下圖4?所示：

圖4

注?1：在實(shí)際開發(fā)中，兩條線路的電壓都以默認(rèn)值波動(dòng)，這也是使用差動(dòng)傳輸減少誤差和噪聲干擾的優(yōu)點(diǎn)；

注?2：CAN總線采用“線路和”規(guī)則進(jìn)行總線套利，即如果同時(shí)發(fā)送多個(gè)CAN信號(hào)，有些發(fā)送1，有些發(fā)送0，只要有0，則當(dāng)前總線為0（1&0=0）。因此，總線上的顯式平面由邏輯“0”表示，而隱式平面則由邏輯“1”表示；

雖然差分信號(hào)有較好的抗干擾能力，但是長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸時(shí)，我們通常會(huì)采用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此來(lái)從物理上減弱噪聲對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程中的耦合。

圖5?消除電容耦合

圖6?消除電感耦合

圖7?消除對(duì)外界的干擾

CAN信號(hào)傳輸

上述的電位差（差分電平）與邏輯電平是通過(guò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。在傳輸過(guò)程中，CAN控制器將CPU傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平。CAN收發(fā)器接收到邏輯電平后，將其轉(zhuǎn)換為差分電平并輸出到CAN總線。

圖9 CAN信號(hào)發(fā)送

在接收過(guò)程中，CAN收發(fā)器發(fā)送CAN_H和CAN_L線路上傳輸?shù)牟铍娖奖晦D(zhuǎn)換為邏輯電平并輸出到CAN控制器，然后CAN控制器將邏輯電平轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)并發(fā)送到CPU。

圖10 CAN信號(hào)接收

簡(jiǎn)單地說(shuō)，這意味著變送器通過(guò)CAN收發(fā)器改變總線電平，并將其信息傳輸?shù)紺AN總線。接收器通過(guò)監(jiān)測(cè)總線電平將總線上的信息讀取到自己的CAN收發(fā)器中。

如上所示，CAN總線有兩種架構(gòu)，兩種形式的CAN信號(hào)，以及發(fā)送和接收CAN信號(hào)的兩個(gè)過(guò)程。

CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括CAN總線、CAN收發(fā)器和設(shè)備節(jié)點(diǎn)。其中，用來(lái)傳輸CAN總線信號(hào)的媒介叫做CAN總線，由CAN_H和CAN_L兩根線組成；連接CAN總線和設(shè)備節(jié)點(diǎn)，用來(lái)轉(zhuǎn)換邏輯電平和物理信號(hào)的單元電路叫做CAN收發(fā)器；通過(guò)CAN收發(fā)器連接在總線上的設(shè)備叫做設(shè)備節(jié)點(diǎn)。此外，不同的CAN標(biāo)準(zhǔn)僅物理層不同，傳輸介質(zhì)和傳輸速率也有所不同。

審核編輯：黃飛