CAN 总线协议入门与实战

CAN（Controller Area Network）总线最初由 Bosch 公司为汽车开发，因其高可靠性、实时性和抗干扰能力，现已广泛应用于汽车电子、工业自动化、医疗设备等领域。本文将介绍 CAN 总线的基础知识。

1. 物理层：差分电平

CAN 总线也是基于差分信号传输的（类似 RS-485），但电平定义不同。它仅有两条线：CAN_H 和 CAN_L。

CAN 不像 RS-485 那样定义 “0” 和 “1”，而是定义了 显性电平 (Dominant) 和 **隐性电平 (Recessive)**。

• **显性电平 (逻辑 0)**：CAN_H - CAN_L ≈ 2V (CAN_H=3.5V, CAN_L=1.5V)。
• **隐性电平 (逻辑 1)**：CAN_H - CAN_L ≈ 0V (两条线都约为 2.5V)。

线与机制（Wired-AND）：这是 CAN 总线最核心的物理特性。只要总线上有一个节点发送显性电平（0），总线就是显性电平。只有所有节点都发送隐性电平（1），总线才表现为隐性电平。这也解释了为什么 0 是显性。

2. 帧结构（标准帧 vs 扩展帧）

CAN 数据以帧（Frame）为单位传输。最常用的是 数据帧。

标准帧 (Standard Frame) - CAN 2.0A

• **Arbitration Field (仲裁场)**：包含 11位 ID 和 RTR 位。
• **Control Field (控制场)**：包含 DLC (Data Length Code)，表示数据长度（0-8字节）。
• **Data Field (数据场)**：0-8 字节的有效载荷。
• CRC Field：校验码。
• ACK Field：应答位。

扩展帧 (Extended Frame) - CAN 2.0B

• Arbitration Field：包含 29位 ID (11位 Base ID + 18位 Extended ID)。
• 其余部分类似。

3. 仲裁机制 (Arbitration)

CAN 总线没有主从之分（Multi-Master），任何节点都可以在空闲时发送数据。如果多个节点同时发送，如何避免冲突？答案是非破坏性位仲裁。

利用 “线与” 机制：

1. 所有节点同步发送 ID。
2. 节点一边发，一边监听总线电平。
3. 如果节点发送 1 (隐性)，但监听到总线是 0 (显性)，说明有优先级更高的节点在发送。
4. 该节点立即停止发送，转为接收状态。

结论：ID 值越小，优先级越高（前导 0 越多，越容易占据总线）。

4. 错误处理与离线机制

CAN 拥有强大的错误检测机制（位错误、填充错误、CRC 错误等）。

• TEC/REC：每个节点都有发送错误计数器 (TEC) 和接收错误计数器 (REC)。
• Error Active：正常状态，发现错误发送主动错误帧（6个显性位）。
• Error Passive：错误较多，发送被动错误帧（6个隐性位），不影响总线。
• Bus Off：TEC > 255，节点自动脱离总线，停止通信。

5. 总结与应用

在编写 CAN 驱动或应用层协议时，需要注意：

1. 波特率计算：CAN 时钟分频、时间段（BS1, BS2）设置比较复杂，需仔细计算采样点（通常在 75%-87.5% 处）。
2. 过滤器配置：为了减轻 CPU 负担，务必配置硬件过滤器（Filter），只接收关心的 ID。
3. 终端电阻：同样需要 120Ω 终端电阻，防止反射。

CAN 总线虽然配置繁琐，但其硬件级的重发和校验机制，让软件层省去了很多可靠性设计的麻烦。