一文看懂CAN協(xié)議
2025-7-18新聞
CAN協(xié)議的誕生與發(fā)展
CAN（Controller Area Network）協(xié)議誕生于1986年，由德國(guó)博世（Bosch）公司為了解決汽車內(nèi)各電子控制單元（ECU）之間的高效、可靠通信需求而提出。1987年發(fā)布第一版，1993年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898。一句話總結(jié)：CAN協(xié)議是為了解決汽車內(nèi)設(shè)備間的高速、抗干擾通信而生的總線標(biāo)準(zhǔn)。
3. CAN控制器與CAN收發(fā)器
CAN控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的組幀、收幀、錯(cuò)誤檢測(cè)、仲裁和協(xié)議處理。一般集成在MCU或外部芯片內(nèi)（如SJA1000）。
CAN收發(fā)器（Transceiver）負(fù)責(zé)電氣信號(hào)的物理層轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)（TTL/CMOS電平）轉(zhuǎn)換為CAN差分信號(hào)，常見芯片有TJA1043、SN65HVD230等。
一句話理解：控制器管“內(nèi)容”，收發(fā)器管“信號(hào)”。
4. 線與邏輯：CAN_H、CAN_L和線與仲裁
物理層：CAN采用雙線差分信號(hào)（CAN_H與CAN_L），抗干擾能力強(qiáng)，支持大約40米至數(shù)公里的傳輸距離。
邏輯“線與”：CAN總線采用“線與”機(jī)制，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出顯性（Dominant）電平，整個(gè)總線就是顯性。
顯性電平（0）： CAN_H > CAN_L（一般3.5V對(duì)1.5V）
隱性電平（1）： CAN_H ≈ CAN_L（一般2.5V）
仲裁機(jī)制：所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，ID（標(biāo)識(shí)符）低位（0）優(yōu)先。如果有節(jié)點(diǎn)發(fā)送隱性位，但總線上檢測(cè)到顯性位，則主動(dòng)退出——ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。
5. 為什么ID越小優(yōu)先級(jí)越大？
CAN ID本質(zhì)上是數(shù)據(jù)幀的“地址”或“標(biāo)簽”。
仲裁過程：發(fā)送過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一位都對(duì)比自己發(fā)出的和總線實(shí)際的，如果發(fā)現(xiàn)自己發(fā)的是1（隱性），但總線是0（顯性），說(shuō)明有更高優(yōu)先級(jí)的幀，自己必須讓路。
舉例：
NodeA發(fā)0x100（0001 0000 0000）
NodeB發(fā)0x080（0000 1000 0000）
誰(shuí)先在第4位上發(fā)0，誰(shuí)優(yōu)先
所以ID越小，優(yōu)先級(jí)越大！
6. 沒有時(shí)鐘信號(hào)，CAN如何實(shí)現(xiàn)同步？
CAN是異步通信，不像SPI、I2C等總線需要主時(shí)鐘線。所有節(jié)點(diǎn)各自擁有自己的波特率時(shí)鐘，但數(shù)據(jù)能在網(wǎng)絡(luò)上“對(duì)齊”，靠的不是外部時(shí)鐘，而是協(xié)議自帶的“同步機(jī)制”。
1）邊沿同步（Edge Synchronization）
CAN總線采用NRZ（非歸零）編碼，數(shù)據(jù)跳變（顯性/隱性轉(zhuǎn)換）會(huì)成為各節(jié)點(diǎn)同步信號(hào)。只要偵測(cè)到邊沿（信號(hào)變化），所有節(jié)點(diǎn)自動(dòng)用這個(gè)邊沿調(diào)整采樣點(diǎn)，對(duì)齊時(shí)鐘，防止時(shí)鐘漂移。
2）位填充（Bit Stuffing）
為保證傳輸中始終有同步邊沿，CAN規(guī)定：每發(fā)送5個(gè)連續(xù)相同位，就自動(dòng)插入1個(gè)反轉(zhuǎn)位，這樣強(qiáng)制制造跳變，各節(jié)點(diǎn)就能根據(jù)跳變修正采樣點(diǎn)。
3）多采樣點(diǎn)采樣
每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際內(nèi)部是“超采樣”，通常每個(gè)比特周期分8~16份，只在最合適的點(diǎn)采樣。采樣點(diǎn)會(huì)根據(jù)實(shí)際邊沿自動(dòng)校準(zhǔn)，抵抗時(shí)鐘微小漂移。
4）同步舉例
比如一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏快，采樣點(diǎn)提前，遇到跳變后會(huì)立即修正。長(zhǎng)期運(yùn)行下，所有節(jié)點(diǎn)即使有時(shí)鐘誤差，也能靠跳變信號(hào)保持同步。
5）回傳機(jī)制（Loopback / Monitoring）
回傳機(jī)制（自監(jiān)視/回讀）：
節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)同步接收總線上的實(shí)際信號(hào)（邊發(fā)邊收）。
7. bus-off：CAN的自我保護(hù)機(jī)制
什么是bus-off？
當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)大量發(fā)送錯(cuò)誤（典型值：128次/256次），CAN控制器會(huì)進(jìn)入bus-off狀態(tài)。
bus-off后，節(jié)點(diǎn)會(huì)停止向總線發(fā)送任何數(shù)據(jù)，直到經(jīng)過一段恢復(fù)機(jī)制。作用：防止“異常節(jié)點(diǎn)”一直影響總線健康，提升系統(tǒng)魯棒性和安全性。
Q&A：CAN相關(guān)常見問題
1. CAN是全雙工通信嗎？
2. 使用CAN協(xié)議，芯片廠商是否需要向博世/ISO支付費(fèi)用？
3. CAN和LIN、FlexRay、以太網(wǎng)有何區(qū)別？
簡(jiǎn)明對(duì)比：
4. CAN網(wǎng)絡(luò)為什么要終端電阻？如果沒接會(huì)怎樣？
5. CAN節(jié)點(diǎn)可以“熱插拔”嗎？
6. CAN的典型應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？
7. CAN幀有哪些類型？每種類型有什么用？
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