控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線由博世于 20 世紀 80 年代開發(fā)，是工業(yè)和汽車應用中常用的通信協(xié)議。它的開發(fā)是為了改善電子控制單元 (ECU) 之間的數(shù)據(jù)交換，從而提高車輛的系統(tǒng)效率。1993 年，CAN 被納入工業(yè)和汽車應用中作為國際標準通信系統(tǒng) ISO 11898。

它是一種基于消息的協(xié)議，最初設計用于汽車內的多路電線以節(jié)省銅纜，但它也用于許多其他環(huán)境。

它是一種通信方法，允許車輛系統(tǒng)和設備相互通信，從汽車的立體聲音響到 ABS 系統(tǒng)。CAN 總線是對等 ECU 和其他設備之間交換指令的媒介。

CAN總線基本原理

控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線按照分散式網(wǎng)絡原理運行，網(wǎng)絡上的所有節(jié)點(或設備)傳輸數(shù)據(jù)的能力都是平等的。這與中央主設備控制通信的傳統(tǒng)網(wǎng)絡模型不同。

CAN總線數(shù)據(jù)傳輸

在CAN網(wǎng)絡中，任何節(jié)點都可以在總線空閑時傳輸數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送，其中包含正在傳輸?shù)男畔⒁约坝糜阱e誤檢查和識別的附加數(shù)據(jù)。

CAN 總線按照“廣播”原理運行，這意味著所有節(jié)點都會接收所有傳輸。然后每個節(jié)點根據(jù) CAN 幀中的標識符決定是忽略數(shù)據(jù)還是接受數(shù)據(jù)。該標識符不是源地址或目標地址，而是指示消息內容的標簽。這意味著多個節(jié)點可以接收和處理相同的消息，這在多個系統(tǒng)可能需要相同數(shù)據(jù)的汽車應用中特別有用。這也意味著特定節(jié)點無法根據(jù)其地址向特定節(jié)點發(fā)送消息。

CAN總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸基于差分兩線接口(取代復雜的線束和連接器)，從而增強了車輛電噪聲環(huán)境中的抗噪聲能力。CAN-高 (CANH) 和 CAN-低 (CANL) 兩條線攜帶互補信號。當節(jié)點傳輸顯性 (0) 信號時，CAN-High 的電壓電平高于 CAN-Low。相反，當傳輸隱性 (1) 信號時，CAN-High 和 CAN-Low 都處于相同的電壓電平。

數(shù)據(jù)以幀的形式傳輸，幀由多個字段組成。其中最重要的是標識符字段和數(shù)據(jù)字段。標識符字段包含消息的標識符，接收節(jié)點使用該標識符來確定是否接受該消息。數(shù)據(jù)字段包含正在傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)，在標準 CAN 中最多可達 8 個字節(jié)，在 CAN FD(靈活數(shù)據(jù)速率)中最多可達 64 個字節(jié)。

CAN 總線中的數(shù)據(jù)傳輸受帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 (CSMA/CD)原理的控制。這意味著每個節(jié)點都會監(jiān)視總線(載波偵聽)并在總線空閑時進行傳輸(多路訪問)。如果兩個節(jié)點同時傳輸(沖突)，則標識符值較低的節(jié)點繼續(xù)傳輸，而另一個節(jié)點停止傳輸。這是因為顯性位會覆蓋總線上的隱性位，并且較低的標識符(較低的數(shù)值)在 CAN 幀的開頭具有更多的顯性位。這種機制確保首先傳輸最高優(yōu)先級的消息(具有較低標識符的消息)。

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡。是由德國博世公司在20世紀80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來越受到人們的重視，被廣泛應用于諸多領域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

由于CAN總線具有很高的實時性能和應用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。隨著CAN總線在各個行業(yè)和領域的廣泛應用，對其的通信格式標準化也提出了更嚴格的要求。1991年CAN總線技術規(guī)范(Version2.0)制定并發(fā)布。該技術規(guī)范共包括A和B兩個部分。

其中2.0A給出了CAN報文標準格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標準。CAN總線技術也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的，信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉是它固有的缺陷。當總線上傳輸消息密度較小時，這些缺陷對系統(tǒng)的實時性影響較小;但隨著在總線上傳輸消息密度的增加，系統(tǒng)實時性能會急劇下降。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。

于是，傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機制相結合產(chǎn)生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是：總線上不同的消息定義了不同的時間槽(Timer Slot)。

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行，我們需要一些每個人都應該遵守的規(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Ь€。CAN總線協(xié)議是ISO國際標準化的串行通信協(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 通信標準，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達1Mbps，總線長度≤ 40米。

ISO11519 定義了通信速率為 10～125 Kbps 的低速 CAN 通信標準，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達1000米。

CAN的應用

CAN總線會有終端電阻，一般來說都是120歐姆，實際上在設計的時候，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。終端電阻的作用有三個：

①提高干擾防護能力，快速消除高頻低能量信號。

②確保總線快速進入隱藏狀態(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量。

電信號的傳輸是通過區(qū)分高電壓和低電壓來進行的，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。

注1：在實際開發(fā)中，兩條線路的電壓都以默認值波動，這也是使用差動傳輸減少誤差和噪聲干擾的優(yōu)點;

注2：CAN總線采用“線路和”規(guī)則進行總線套利，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。