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)時應(yīng)用的場合，如汽車中的各種不同元件之間的通信。CAN總線采用雙絞線來傳輸信號，具有高性能、高可靠性、實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)。同時，CAN總線具有完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、11位的尋址以及檢錯能力等特點(diǎn)。在汽車行業(yè)中，CAN總線已經(jīng)成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，廣泛應(yīng)用于汽車和其他自動化領(lǐng)域中。

CAN總線工作原理

CAN總線的工作原理基于廣播方式，通過標(biāo)識符來識別數(shù)據(jù)是否發(fā)送給自己的，并使用差分信號傳輸來保證可靠性和實(shí)時性。

CAN總線數(shù)據(jù)傳輸原理，從一個節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點(diǎn)的CPU將將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和標(biāo)識符發(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)定的報文格式發(fā)出。此時，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)都要先對其進(jìn)行接收，通過檢測來判斷該報文是否是發(fā)給自己的。（CAN總線通信實(shí)現(xiàn)CAN報文帶ID標(biāo)識教程）

CAN總線使用差分信號傳輸，通過在CANH和CANL上傳輸差分信號來表示數(shù)字信號。差分信號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)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。當(dāng)一個站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(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中簡單來說CAN總線就如兩根黃線，通信的原理就好比開一個電話會議，大家都同時撥進(jìn)來，然后有各種不同的狀態(tài)，比如：一個人說話，其他人聽；或者多個人同時想發(fā)言，但也會讓其中一個人先說，其他人聽；還有一個人要求另一個人來說；還有些掉線了，卡頓了等等。

為了確保每次電話會議針對上述情況正確有效地進(jìn)行，我們需要一些每個人都應(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國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，由兩個系列組成：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，總線長度可達(dá)1000米，如圖2。

圖2

CAN總線的應(yīng)用

CAN總線會有終端電阻，一般來說都是120歐姆，實(shí)際上在設(shè)計的時候，也是兩個60歐姆的電阻串起來的，而總線上一般有兩個120歐姆的節(jié)點(diǎn)。CAN總線終端電阻的作用有三個：

1、提高干擾防護(hù)能力，快速消除高頻低能量信號；

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、通過將它們放置在總線兩端以減少反射能量來提高信號質(zhì)量。

圖3

在學(xué)習(xí)CAN總線時，經(jīng)常會看到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之間的對應(yīng)關(guān)系是什么？CAN通信邏輯0和1，顯式和隱式。

電信號的傳輸是通過區(qū)分高電壓和低電壓來進(jìn)行的，就像CAN通信一樣。CAN總線的兩條信號線是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，這也是使用差動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，即如果同時發(fā)送多個CAN信號，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；

雖然差分信號有較好的抗干擾能力，但是長距離信號傳輸時，我們通常會采用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此來從物理上減弱噪聲對信號傳輸過程中的耦合。

圖5?消除電容耦合

圖6?消除電感耦合

圖7?消除對外界的干擾

CAN信號傳輸

上述的電位差（差分電平）與邏輯電平是通過CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。在傳輸過程中，CAN控制器將CPU傳輸?shù)男盘栟D(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信號發(fā)送

在接收過程中，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)的信號并發(fā)送到CPU。

圖10 CAN信號接收

簡單地說，這意味著變送器通過CAN收發(fā)器改變總線電平，并將其信息傳輸?shù)紺AN總線。接收器通過監(jiān)測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，以及發(fā)送和接收CAN信號的兩個過程。

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，用來傳輸CAN總線信號的媒介叫做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)，用來轉(zhuǎn)換邏輯電平和物理信號的單元電路叫做CAN收發(fā)器；通過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