目錄

1. CAN?概述

2. 物理結構與傳輸機制

3. 消息格式與仲裁機制

4. 錯誤檢測與總線狀態

5. 工業用 CAN 接口

6. 本講總結

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1. CAN?概述

CAN（Controller Area Network）是由德國博世（Bosch）公司于 1983 年提出的串行通信協議，最初用于汽車內部多個電子控制單元（ECU）之間的數據通信。CAN 總線有以下特點：

• 多主結構：任意節點都可以在總線空閑時發起通信，支持分布式控制系統；

• 實時性高：通過優先級仲裁機制保證高優先級信息的快速響應；

• 通信可靠性強：內置多重錯誤檢測機制；

• 抗干擾性強：差分信號傳輸 + 雙絞線結構；

• 應用廣泛：除汽車外，在工業自動化、電梯、軌道交通、醫療設備等領域被大量采用。

CAN 在工業發展中已經進行過多次的升級和演進。最初的 Classic CAN（標準 CAN）支持最大數據幀為 8 字節。Bosch 在 2012 年推出了?CAN FD（Flexible Data Rate），為標準 CAN 的增強型協議，支持高達 64 字節數據，速率提升到 5Mbps。CANopen 和 SAE?J1939 是基于 CAN 的上層協議，提供數據組織和設備管理規范。

2. 物理結構與傳輸機制

CAN 在物理層采用差分信號傳輸，即 CAN_H（高線）與 CAN_L（低線）之間的電壓差來表示邏輯狀態，理論上用雙絞線就可以實現，如下圖所示：

差分電壓信號分為顯性與隱性信號兩種，分別代表邏輯 0 和 1，如下表所示：

狀態	CAN_H	CAN_L	差值	邏輯
顯性（Dominant）	~3.5V	~1.5V	~2V	邏輯 0
隱性（Recessive）	~2.5V	~2.5V	~0V	邏輯 1

CAN 將信號轉換成一系列的電壓差來進行傳送。CAN 通常為 總線型結構，兩端會接 120Ω 終端電阻，吸收信號反射，如下圖所示：

CAN 總線的最大傳輸距離是和傳輸速率（波特率）有直接關系的，下表根據經驗給出了一個大概的關系：

波特率	最大距離（理論）
1 Mbps	40 米
500 kbps	100 米
125 kbps	500 米

實際應用中，傳輸距離受很多因素影響。但是我們可以看到速率越高，支持的距離會越短。

3. 消息格式與仲裁機制

CAN 采用 幀格式 來組織通信數據。每一幀都是廣播的，所有節點都能接收，根據 ID 來決定是否處理。CAN 常用的幀類型有以下四種：

類型	用途
數據幀	正常通信的數據負載傳輸
遠程幀	請求其他節點發送某類數據
錯誤幀	報告幀錯誤（由接收/發送節點主動發送）
過載幀	通知總線稍等片刻（如緩存溢出）

這里我們重點介紹一下數據幀。數據幀的結構如下圖所示：

這里進行一下簡單的介紹：

• 標識符（ID）：代表消息類型，也決定優先級（數值越小優先級越高）；

• RTR 位：區分數據幀和遠程幀；

• CRC（校驗）：檢測傳輸錯誤；

• ACK（響應）：確認接收響應位。

• Data（數據）: 傳輸的數據，最高8字節。

CAN（Controller Area Network）總線的仲裁機制是一種非破壞性位仲裁方式。當多個節點幾乎同時開始發送數據時，它們會在發送過程中監視總線電平。CAN 使用“優先級”機制：幀的標識符越小，優先級越高。發送過程中，如果某個節點發送的是顯性位（0）而檢測到的是隱性位（1），說明有更高優先級的消息正在傳輸，該節點會立即停止發送，從而實現無沖突的仲裁和總線訪問控制。

4. 錯誤檢測與總線狀態

CAN 協議對錯誤處理十分嚴格，具備多級檢測與恢復機制。CAN 有五種錯誤檢測機制：

1. 位錯誤（Bit Error）：發送位與檢測到的位不同；

2. 填充錯誤（Stuff Error）：違反“5 個相同位后自動插入反位”規則；

3. CRC 錯誤：校驗字段不匹配；

4. 格式錯誤（Form Error）：幀結構字段異常；

5. ACK 錯誤：期望有節點應答卻未收到 ACK。

如果發現錯誤，CAN 還有不同的錯誤處理機制，比如：

• 主動錯誤幀（Active Error Frame）：節點發現錯誤并通知所有節點；

• 被動錯誤幀（Passive Error Frame）：錯誤次數過多后被動報告，不再主動干擾總線；

• 總線關閉（Bus-Off）：連續錯誤嚴重，節點完全斷開，不再參與通信（例如失控 ECU）；

CAN 的錯誤檢測與總線狀態是個很重要的話題，我們這里不做過多的介紹，之后會單獨開一篇教程講解不同的錯誤檢測機制。

5. 工業用 CAN 接口

雖然 CAN 總線只需要兩根信號線（CAN_H 和 CAN_L） 進行通信，但在實際設備或開發板上的CAN 接口會出現多個“插頭”或“針腳”，額外的“頭”不僅用于信號線，還包括供電、接地、終端電阻控制、備用信號或診斷功能等，見下表：

接口引腳	用途說明
CAN_H	差分信號：高線
CAN_L	差分信號：低線
GND（接地）	電源地線，用于參考和抗干擾
V+ / Vbat	電源供電（如 12V/24V）
STB / EN	芯片工作/待機控制信號（控制 CAN 芯片開關）
RS	可調終端電阻設置（如 SN65HVD230 有此功能）
NC	預留 / 未接

在使用的時候，要根據具體情況具體分析，并仔細閱讀使用手冊和文檔。

6. 本講總結

在這篇博文中，我們簡單的介紹了 CAN 的基本原理，網絡結構，數據傳輸和仲裁機制，我們在之后的博文中，針對部分內容，進行更深入的解析。

參考文獻：

1. can口9針定義_can口定義-CSDN博客

2. 常用通信接口電氣特征（六）：CAN_can接口-CSDN博客

3.?詳解CAN總線：常用CAN連接器的使用方法_dsub9 can-CSDN博客