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：

  • 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；

  • 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；

  • 通信可靠性强：内置多重错误检测机制；

  • 抗干扰性强：差分信号传输 + 双绞线结构；

  • 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_HCAN_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 Mbps40 米
500 kbps100 米
125 kbps500 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：

  • 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）；

  • RTR 位：区分数据帧和远程帧；

  • CRC（校验）：检测传输错误；

  • ACK（响应）：确认接收响应位。

  • 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：

  1. 位错误（Bit Error）：发送位与检测到的位不同；

  2. 填充错误（Stuff Error）：违反“5 个相同位后自动插入反位”规则；

  3. CRC 错误：校验字段不匹配；

  4. 格式错误（Form Error）：帧结构字段异常；

  5. 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：

  • 主动错误帧（Active Error Frame）：节点发现错误并通知所有节点；

  • 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；

  • 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

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