CAN總線是汽車電子工程師必備基礎(chǔ)知識，如今街上跑的每臺車幾乎都應(yīng)用了CAN總線通信協(xié)議，那什么是CAN總線?它又是如何聯(lián)系汽車上各個電子控制單元的？汽車電子工程師又是如何設(shè)計開發(fā)CAN通信的？下面我們一一道來。
為了大家閱讀有所側(cè)重，以下內(nèi)容用★號做了標(biāo)識：
★★★★★表示汽車電子工程師必須熟悉的
★★★★表示汽車電子工程師推薦了解的
★★★及以下表示專門從事CAN總線開發(fā)的工程師需要知道的
什么是CAN總線？★★★★★
CAN( Area )是二十世紀(jì)八十年代初德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多電控單元（ECU)之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)串行通信協(xié)議。
1983年 由Bosch和Intel共同開發(fā)
1987年 第一塊CAN控制器芯片（Intel)
1990年 第一輛應(yīng)用CAN的量產(chǎn)車： S-Class
1991年 CAN 2.0發(fā)布（PART A 與 PART B)
1993年 CAN成為ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898）
很多同學(xué)一看這名字就暈了，其實可以簡單把CAN通信理解成開一場電話會議，當(dāng)一個人講話時其他人就聽（廣播），當(dāng)多個人同時講話時則根據(jù)一定規(guī)則來決定誰先講話誰后講話（仲裁），這就好比會議中你和領(lǐng)導(dǎo)同時講話，你肯定會很識趣地讓領(lǐng)導(dǎo)先講。
但值得注意的是，在這場會議中，講話人會確認(rèn)聽話人是否成功接收信息，如果說話人傳遞的信息有誤，聽話人會及時指出錯誤。
CAN總線有哪些優(yōu)勢？★★★★★
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今通信方式和協(xié)議五花八門，但CAN通信仍然是車載網(wǎng)絡(luò)最安全可靠且應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。
過去，汽車通常采用常規(guī)的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式將電子控制單元及電子裝置連接起來，但隨著電子設(shè)備的不斷增加，導(dǎo)線數(shù)量也隨之增多，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體可靠性的目標(biāo)。
總的來說CAN總線有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：
① 數(shù)據(jù)傳輸速度相對較高，可達(dá)到1 Mbit/s。（CAN-FD和CAN-XL分別可以達(dá)到2 Mbit/s和10 Mbit/s。）
② 采用差分?jǐn)?shù)據(jù)線，抗干擾能力強(qiáng)；
③多主通信模式，大幅減少單點(diǎn)通信線束成本；
④具有錯誤偵聽的自我診斷功能，通信可靠信較高。
CAN總線原理及工作機(jī)制是怎樣的？★★★★★
這一部分內(nèi)容比較多，建議小伙伴們沉下心來閱讀。
（1）CAN通信硬件基礎(chǔ)：接口電路
CAN總線節(jié)點(diǎn)有兩種硬件構(gòu)成方案：
① MCU控制器 + 獨(dú)立CAN控制器 + CAN收發(fā)器。（獨(dú)立CAN控制器如NXP半導(dǎo)體的等）使用獨(dú)立CAN控制器程序復(fù)用移植性較好，但占用主控芯片I/O資源。
② 集成CAN控制器的MCU + CAN收發(fā)器。（集成CAN控制器的單片機(jī)如NXP半導(dǎo)體的等）該方案程序復(fù)用性不佳，有很強(qiáng)針對性，但可以使電路更加簡單。
如下圖完整的CAN接口電路包括接收發(fā)送CAN報文的CAN控制器，轉(zhuǎn)換數(shù)字信號和CAN信號的CAN收發(fā)器，消除噪聲的濾波器以及提供合適阻抗的CAN高和CAN低終端電路。
（2）CAN通信機(jī)制：
電信號的傳輸在物理層面都是靠電壓高低區(qū)分來實現(xiàn)的，CAN通信也不例外。CAN總線使用雙絞線進(jìn)行差分電壓傳輸，兩條信號線被稱為CAN高（CAN_H)和CAN低(CAN_L）。
兩條線靜態(tài)時均為2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯1，也被稱作隱性。當(dāng)兩條線電壓值出現(xiàn)差異時，通常CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V，此時狀態(tài)表示為邏輯0，也稱作顯性。即：
差分電壓 = 0V，表示邏輯“1”，為隱性；
差分電壓 = 2V，表示邏輯“0”，為顯性；
注：實際開發(fā)中兩條線的電壓都會在標(biāo)準(zhǔn)值上下附近波動，這也是用差分傳輸?shù)暮锰帲瑴p少誤差和噪聲帶來的干擾。
顯性電平用邏輯“0”表示，隱性電平用邏輯“1”表示，這里可能有小伙伴會問為什么“0”是顯性，感官上不應(yīng)該這樣規(guī)定啊？其實這是因為CAN總線采用“線與”規(guī)則進(jìn)行沖突仲裁，即當(dāng)多個CAN信號同時發(fā)送時，有的發(fā)1有的發(fā)0，而只要有0，當(dāng)前總線就是0（1&0 = 0），看上去就是1被0覆蓋了。另一方面，從電位看，高電位為0，當(dāng)1和0同時發(fā)送時，總線處于高電位，顯現(xiàn)出來的是0，所以把0規(guī)定為顯性。
下面我再來說說CAN消息幀（報文）是怎么實現(xiàn)信息交換的。一般書本教材都是先講CAN報文的格式再去談應(yīng)用，但這對于強(qiáng)調(diào)應(yīng)用的工程技術(shù)人員并不友好，所以我們反著來講，先看下在車輛開發(fā)中ECU報文都是如何傳遞有用信息的，開發(fā)工程師常接觸的知識點(diǎn)有哪些。
拿發(fā)動機(jī)控制單元EMS的一條報文舉例，我們要知道哪些關(guān)鍵信息？
這條報文的名稱為，ID為0x100，報文發(fā)送周期是10ms，報文長度為8個byte。上表定義了兩個典型信號：
一個信號為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)長度8bit，那這8bit如果按照二進(jìn)制與十進(jìn)制單純轉(zhuǎn)換，只能表示 2^{8}-1=255 ，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋實際發(fā)動機(jī)高達(dá)幾千的轉(zhuǎn)速，所以工程師們想了個辦法can線基本通訊原理圖，讓二進(jìn)制轉(zhuǎn)換來的數(shù)乘上系數(shù)再加上偏置數(shù)來表達(dá)實際值，如例子里面轉(zhuǎn)速范圍為0~7650，這個最大值7650就是 255\ 得來的。
第一個信號是表示數(shù)值，另外一個信號則是常用的標(biāo)志位信號，通常來反映系統(tǒng)所處的狀態(tài)。例子中的表示發(fā)動機(jī)控制單元是否出現(xiàn)錯誤，只占1bit，也就是只有兩個狀態(tài)，0b表示運(yùn)行正常，1b表示出現(xiàn)錯誤。
是不是大概理解報文里面工程應(yīng)用的一些關(guān)鍵信息了？那還有沒提到的報文起始字節(jié)和數(shù)據(jù)起始字節(jié)又如何理解？我們先來看一張圖：
這個是汽車電子工程師常用工具CANoe里面報文的一張截圖，關(guān)于CANoe的使用及仿真編程在后面的文章會詳細(xì)介紹，我們先看看這個圖怎么看。第一列從0到7分別表示一幀消息8個byte從低到高的位置，0就是第0個byte，7就是第7個byte，這里要注意第一個byte位置記為0。
第一行從7到0分別表示byte[0]的信號從高到低排列，7就是第7個bit，0就是第0個bit，這里同樣要注意最低位為bit[0]。所以說來說去，CAN報文和所有信號傳輸一樣都是靠0和1組合起來的信息，經(jīng)過一定的CAN協(xié)議就能轉(zhuǎn)換成我們想要的結(jié)果。
說到這里，大家應(yīng)該對整車開發(fā)常用的CAN報文格式有了粗略的印象，但是CAN報文在傳輸中可不只是這8個byte總共64bit在雙絞線上跑，這8個byte只是具有實際工程意義的數(shù)據(jù)場信號，整車幾十個ECU彼此之間要準(zhǔn)確無誤的發(fā)送接收消息則要遵循一定的規(guī)則。
CAN消息幀格式★★★★
相互通信的ECU要想彼此收發(fā)消息，需要使用相同的CAN報文格式，這就好比兩個不同母語的人要對話必須講同一種語言才行，不然就是雞同鴨講了。目前主要有CAN2.0A和CAN2.0B兩種技術(shù)規(guī)范。
CAN2.0A規(guī)定了11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，CAN2.0B在此基礎(chǔ)上又增加了一種具有29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀格式。
CAN消息幀根據(jù)用途不同分為四種類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、超載幀。
（1）數(shù)據(jù)幀：用于傳送數(shù)據(jù)
幀起始：標(biāo)志一個數(shù)據(jù)幀的開始，僅由一個顯性位構(gòu)成，只有在總線空閑期間才能夠發(fā)送。
仲裁場：在標(biāo)準(zhǔn)幀中，仲裁場由11位標(biāo)識符和RTR位組成；在擴(kuò)展幀中，仲裁場由29位標(biāo)識符、SRR位、IDE位和RTR位組成。
ID（標(biāo)識符）是用來確定一條報文，表明報文含義及優(yōu)先級，如上面舉例的0x100。
RTR（遠(yuǎn)程傳送請求位），數(shù)據(jù)幀RTR位必須為顯性電平（RTR=0），遠(yuǎn)程幀RTR位必須為隱性電平（RTR=1）。
IDE（標(biāo)識符擴(kuò)展位）在標(biāo)準(zhǔn)幀屬于控制場，在擴(kuò)展幀中屬于仲裁場。在標(biāo)準(zhǔn)幀中IDE為顯性電平（IDE=0），在擴(kuò)展幀中IDE為隱性電平（IDE=1）
SRR（遠(yuǎn)程代替請求位）在擴(kuò)展幀中始終為隱性電平（SRR=1）
控制場：由6位組成。在標(biāo)準(zhǔn)幀中，控制場包括IDE（此時為顯性電平0）、保留位r（此時為顯性電平0）以及占4個bit的數(shù)據(jù)場長度碼DLC。在擴(kuò)展幀中，控制場沒有IDE位，而是兩個保留位r0和r1，此時同樣均為顯性電平0。
數(shù)據(jù)場：包含CAN數(shù)據(jù)幀發(fā)送的數(shù)據(jù)，0~8個byte，如上面舉例的主要信息就是圍繞數(shù)據(jù)場來說明的can線基本通訊原理圖，這也是整車電子工程師討論得最多的一部分內(nèi)容，如果你不是專門的CAN設(shè)計工程師，其他的格式內(nèi)容僅作了解即可。
CRC場：包括CRC序列CRC界定符DEL，CRC校驗是為了通信雙方的安全可靠性制定的”暗號“，只有發(fā)送方根據(jù)發(fā)送信息計算的CRC值與接收方根據(jù)接收信息計算的CRC值對上，才能判斷這次通信成功了，否則就會報錯。
應(yīng)答場：包括2位，應(yīng)答間隙（ACK）和應(yīng)答界定符（DEL）。發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報文中ACK及DEL均為隱性電平1，接收節(jié)點(diǎn)正確接收后會用顯性電平0覆蓋隱性電平，以表示正確接收。總結(jié)說就是，正確接收ACK=0，DEL=1；未正確接收ACK=DEL=1。
幀結(jié)束：7個連續(xù)的隱性位，表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。節(jié)點(diǎn)在檢測到11個連續(xù)的隱性位后認(rèn)為總線空閑。
（2）遠(yuǎn)程幀：向其他節(jié)點(diǎn)請求發(fā)送具有同一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場，且RTR位為隱性電平。
（3）錯誤幀：當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到一個或多個由CAN標(biāo)準(zhǔn)所定義的錯誤時，就會產(chǎn)生一個錯誤幀。錯誤幀由錯誤標(biāo)志和錯誤界定符兩個部分組成。
錯誤標(biāo)志分為主動錯誤標(biāo)志和被動錯誤標(biāo)志：
什么時候發(fā)帶有主動錯誤標(biāo)志的錯誤幀？什么時候發(fā)帶有被動錯誤標(biāo)志的錯誤幀？這里我們先要說下節(jié)點(diǎn)的錯誤狀態(tài)。
節(jié)點(diǎn)的錯誤狀態(tài)有三種，主動錯誤狀態(tài)、被動錯誤狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)。
主動錯誤狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)處于主動錯誤狀態(tài)可以正常通信，處于主動錯誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)（可能是接收節(jié)點(diǎn)也可能是發(fā)送節(jié)點(diǎn)）在檢測出錯誤時，發(fā)出主動錯誤標(biāo)志。
被動錯誤狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)處于被動錯誤狀態(tài)可以正常通信，處于被動錯誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)（可能是接收節(jié)點(diǎn)也可能是發(fā)送節(jié)點(diǎn)）在檢測出錯誤時，發(fā)出被動錯誤標(biāo)志。
總線關(guān)閉狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)處于總線關(guān)閉狀態(tài)不能收發(fā)報文，只能一直等待，在滿足一定條件時才能再次進(jìn)入到主動錯誤狀態(tài)正常收發(fā)報文。
一個CAN節(jié)點(diǎn)在什么情況下處于主動錯誤狀態(tài)，什么情況下處于被動錯誤狀態(tài)？根據(jù)CAN協(xié)議的規(guī)定，CAN節(jié)點(diǎn)內(nèi)有兩個計數(shù)器：發(fā)送錯誤計數(shù)器TEC和接收錯誤計數(shù)器REC，CAN節(jié)點(diǎn)就是根據(jù)這兩個計數(shù)器值得大小來判斷處于什么狀態(tài)的。
CAN總線錯誤分類：
CAN節(jié)點(diǎn)計數(shù)器如何計數(shù)：
（4）超載幀：超載幀用于在先前和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加延時，超載標(biāo)志由6個顯性位組成，超載界定符由8個連續(xù)的隱性位組成。
CAN總線非破壞性仲裁★★★★★
在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)字的ID，當(dāng)節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送報文時CAN總線將按”線與“機(jī)制對ID的每一位進(jìn)行判斷，當(dāng)有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送0則總線的狀態(tài)就是0，所以ID的值越小優(yōu)先級就越高，這也是為什么在整車上越重要的報文ID值越小。
如下圖節(jié)點(diǎn)1，2，3同時發(fā)送報文，依次對比ID的每一位，節(jié)點(diǎn)3的ID值最小，最終取得了CAN總線的控制權(quán)。
CAN總線位填充機(jī)制★★★
CAN總線采用多種抗干擾措施以減少消息幀在傳送過程中出錯，位填充技術(shù)是其中很重要的一種。CAN總線規(guī)定信號的跳變沿即為同步信號，所以只要信號發(fā)生變化了，節(jié)點(diǎn)時鐘就會被同步。但如果有連續(xù)相同的信號發(fā)送，沒有跳變發(fā)生，則有可能出現(xiàn)發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)不同步，從而導(dǎo)致信號異常。所以當(dāng)檢測到5個連續(xù)相同的位信號時，實際發(fā)送會自動插入一個補(bǔ)碼發(fā)送，然后再接著發(fā)送原有信號。
SOF之前的總線空閑區(qū)域，不需要同步，無需進(jìn)行位填充。CRC之后的位域都是固定格式，不允許位填充操作。
下圖舉例說明了位填充機(jī)制具體是如何操作的，值得注意的是第二個填充位也被包含到了5個連續(xù)相同位的計數(shù)中，因為填充位同樣是被當(dāng)成總線數(shù)據(jù)位處理的。
CAN總線位時序及同步★★★
位定時是指CAN總線上一個數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間，主要用于CAN總線上各節(jié)點(diǎn)的通信波特率設(shè)置，同一總線上的通信波特率必須相同。
正常的位時間=1/波特率。（比如1Mbit/s波特率，一個位的發(fā)送時間就是1微秒）
位時間可以分為以下四段：
CAN通信數(shù)據(jù)流中不包含時鐘信息，CAN總線規(guī)范中定義的同步保證報文可以不管節(jié)點(diǎn)間積累的相位誤差正確地譯碼。
CAN的同步方式包括硬同步和重同步兩種：
硬同步發(fā)生在SOF位，所有接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整各自當(dāng)前位的同步段，調(diào)整寬度不限。
發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送SOF位時，SOF位的下降沿在同步（SS）段，這個時候接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己當(dāng)前位的SS段和發(fā)送節(jié)點(diǎn)SOF位的同步SS段不同步，于是接收強(qiáng)行將自己當(dāng)前位的SS段拉到與SOF位的SS段同步。
重同步發(fā)生在一個報文SOF位之外的其他位場內(nèi)，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位的下降沿落在了發(fā)送節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位的同步段之外時發(fā)生重同步。
發(fā)得晚，收得早，會導(dǎo)致相位緩沖段1延長。發(fā)送節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位的SS段產(chǎn)生的時候，接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位的SS段已經(jīng)早于它產(chǎn)生了，此時接收節(jié)點(diǎn)就要延長一段時間與的采樣點(diǎn)進(jìn)行同步。
發(fā)得早，收得晚，會導(dǎo)致相位緩沖段2縮短。發(fā)送節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位的SS段產(chǎn)生時間早于接收節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位SS段產(chǎn)生時間，此時接收節(jié)點(diǎn)要縮短相位緩沖段2，以保證兩者采樣點(diǎn)同步。
到這里，常用的CAN通信原理就介紹完了，希望對各位有所幫助。
參考：
恒潤科技-CAN基礎(chǔ).PDF
2. 恒潤科技-CAN總線快速入門.PDF
3.《汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用》 羅峰 孫澤昌 著
4.《CAN總線嵌入式開發(fā)從入門到實戰(zhàn)》 牛躍聽 周立功 方丹 等編著
5.《CAN入門》 瑞薩
6. CAN總線學(xué)習(xí)筆記（1）~（5） CSDN站點(diǎn)
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