【嵌入式】CAN 总线技术介绍

CAN 总线技术详解，从物理层到应用层：

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一、基础架构层

1. 物理拓扑

要素	规范说明
线缆类型	双绞线（CAN_H + CAN_L），阻抗 120Ω
终端电阻	总线首尾两端各接 120Ω 电阻（消除信号反射）
电平逻辑	- 显性电平 (0)：CAN_H - CAN_L ≈ 2V - 隐性电平 (1)：CAN_H - CAN_L ≈ 0V
最大节点数	110 个（受收发器驱动能力限制）

2. 电气特性

波特率	最大距离	应用场景
1 Mbps	40 m	汽车动力总成（ECU 间高速通信）
500 kbps	100 m	工业机器人实时控制
125 kbps	500 m	车身控制系统（车门/车窗）
50 kbps	1 km	工程机械长距离通信

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二、协议核心机制

1. 多主仲裁（非破坏性位竞争）

[节点A] 发送 ID=0x101 (二进制: 00010000001)
[节点B] 发送 ID=0x102 (二进制: 00010000010)
         ↑ 第10位开始仲裁
A 发送 0 (显性) vs B 发送 1 (隐性) → A 赢得总线控制权，B 立即退出发送

2. 帧结构解析（标准数据帧）

字段	长度	功能说明
SOF (帧起始)	1 bit	显性电平 (0)，同步节点时钟
ID (标识符)	11 bit	决定优先级（值越小优先级越高）
RTR (远程请求位)	1 bit	数据帧=显性(0)，远程帧=隐性(1)
DLC (数据长度码)	4 bit	数据段字节数 (0-8)
Data Field	0-64B	有效载荷（CAN FD 扩展至 64 字节）
CRC	15 bit	校验 SOF 至数据段
ACK Slot	1 bit	发送端发隐性(1)，接收端覆盖为显性(0)确认
EOF (帧结束)	7 bit	连续隐性位(1)

3. 错误防御体系

机制	实现方式
位监控	发送节点检测自身发出位与总线实际电平是否一致
CRC 校验	15 位多项式校验 (CRC-15-CAN)
格式校验	检查固定格式位（如 EOF 必须为 7 个隐性位）
应答机制	接收成功节点需在 ACK Slot 回显显性位
自动错误隔离	节点根据错误计数进入状态机：主动错误 → 被动错误 → 总线关闭

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三、协议演进对比

特性	CAN 2.0B	CAN FD	CAN XL (2023+)
最大数据长度	8 字节	64 字节	2048 字节
仲裁段速率	最高 1 Mbps	同经典 CAN	同 CAN FD
数据段速率	-	最高 8 Mbps	最高 20 Mbps
关键升级	支持 29 位扩展 ID	动态切换波特率 (BRS)	兼容以太网帧

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四、应用实现层

1. 硬件组成

MCU

CAN控制器

CAN收发器

物理总线

其他节点

• 典型芯片方案：
  • 控制器：STM32F4/F7（内置 CAN FD），MCP2515（外置 SPI 转 CAN）
  • 收发器：TJA1050（基础型），TJA1044（低功耗），ADM3053（隔离型）

2. 应用层协议栈

协议	领域	核心特性
CANopen	工业自动化	对象字典 (OD)，SDO/PDO 通信模型，预定义连接集
J1939	商用车/工程机械	参数组 (PGN)，可疑参数编号 (SPN)，29 位 ID 含源/目标地址
CAN FD	新能源车域控制器	域间通信（如电池管理系统→电机控制器），支持 UDS 诊断

3. 开发工具链

类型	工具示例	用途
硬件分析仪	Vector VN1630, Kvaser Leaf Pro	抓取物理层信号与协议解码
协议分析软件	CANoe (Vector), PCAN-View (Peak)	报文解析/仿真/压力测试
嵌入式库	SocketCAN (Linux), CANopenNode	嵌入式设备协议栈开发

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五、典型故障排查表

故障现象	检测点	解决方案
总线持续显性	终端电阻值（应为 60Ω）	检查终端电阻连接
频繁错误帧	节点错误计数器 (TEC/REC)	隔离高错误计数节点
特定报文丢失	CAN 控制器过滤器配置	检查接收节点 ID 过滤掩码
长距离通信不稳定	分支线长度（应 < 0.3m @1Mbps）	缩短分支或降低波特率

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六、前沿应用场景

1. 新能源汽车域控制器架构

   [动力域] --CAN FD--> [中央网关] --以太网--> [智能座舱域]
         |                    |
         --CAN FD--> [电池管理系统]
   

   • 传输数据：电机转速（0x0CF00400）、电池温度（0x18FEF100）、充电状态（0x18FF50D1）

2. 工业 4.0 柔性产线

   • 实时同步：机器人关节控制器 (CANopen) 以 1ms 周期同步位置指令
   • 安全协议：CANopen Safety 实现急停连锁（安全等级 SIL2）

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七、协议发展路线

timeline
  title CAN 技术演进史
  1986 ： Bosch 发布 CAN 1.0
  1991 ： CAN 2.0A (11-bit ID) 标准化
  1994 ： CAN 2.0B (29-bit ID) 发布
  2012 ： CAN FD 协议草案
  2023 ： CAN XL 10G-PHY 物理层测试

附：关键术语速查
BRS (Bit Rate Switch)：CAN FD 数据段波特率切换标志位
ESI (Error State Indicator)：发送节点错误状态指示
PDO (Process Data Object)：CANopen 实时过程数据对象
PGN (Parameter Group Number)：J1939 参数组编号