CAN总线协议详解

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。
想到CAN就要想到德国的 Bosch公司，因为CAN就是这个公司和Intel于80年代末开发的。
CAN有很多优秀的特点，使得它能够被广泛的应用。比如：传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。
近些年来，CAN控制器价格越来越低，很多MCU也集成了CAN控制器。现在每一辆汽车上都装有CAN总线。
一个典型的CAN应用场景：

图1. 一个典型的CAN应用场景

　　CAN总线标准
　　CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户自定义应用层。不同的CAN标准仅物理层不同。
　　
　　图2. CAN总线标准
　　CAN收发器负责逻辑电平和物理信号之间的转换。
　　
　　将逻辑信号转换成物理信号（差分电平），或者将物理信号转换成逻辑电平。
　　CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。
　　
　　图3-1. ISO11898高速CAN电平 图3-2. ISO11519-2低速CAN电平
　　高低电平幅度低，对应的传输速度快；
　　
　　图4. CAN标准比对
　　*双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。

　　物理层
　　CAN有三种接口器件：
　　
　　
　　多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有节点输出高电平时，才为高电平。所谓”线与”。
　　CAN总线有5个连续相同位后，就插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累积误差。
　　和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。
　　
　　CAN总线的终端电阻的接法如下图5所示：
　　
　　图5. 低速/高速 CAN-bus终端电阻接法
　　增加终端电阻的目的是为了增强CAN通讯的可靠性，消除CAN总线终端信号反射干扰。
　　Note： 一般如果CAN总线使用的是在双绞线上运行，这时我们会增加120Ω的电阻。为什么是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。

　　数据链路层
　　CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。
　　数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。
　　CAN的报文格
　　在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。
　　在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。
　　控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 （RO），为将来扩展使用。它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。
　　应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
　　报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。
　　如图6所示，具体某一位或某几位下面会详细介绍。
　　
　　图6. CAN总线报文结构