浅谈CAN总线

　　在前面的《浅谈I2C总线》和《浅谈SPI总线》 中我们介绍的 I2C、SPI 总线多用于传输距离短、协议简单、数据量小、主要面向 IC（集成电路）间通信的“轻量级”场合。而 CAN 总线则不同，CAN 总线定义了更为优秀的物理层、数据链路层，并且拥有种类丰富、简繁不一的上层协议。

什么是 CAN 总线

　　CAN 是“Controller Area Network”的缩写，即“控制器局域网”，是一个 ISO 标准的串行通信协议。CAN 总线由德国 BOSCH 公司研发设计，用于应对汽车上日益庞大的电子控制系统的需求，其最大的特点是可拓展性好，可承受大量数据的高速通信，并且高度稳定可到。ISO 组织通过 ISO11898 和 ISO11519 对 CAN 总线进行了标准化，使其早早确立了欧洲汽车总线标准的地位。时至今日，CAN 总线已经获得业界的高度认可，其应用也从汽车电子领域延伸至工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域。

CAN 总线网络拓扑结构

　　CAN 总线的物理连接只需要两根线，常称为 CAN_H 和 CAN_L，通过差分信号进行数据的传输。CAN 总线有两种电平，分别为 隐性电平 和 显性电平，这两种电平有着类似漏极 I/O 电平信号之间“与”的关系：

• 若隐性电平相遇，则总线表现为隐性电平；
• 若显性电平相遇，则总线表现为显性电平；
• 若隐性电平和显性电平相遇，则总线表现为显性电平。

一个典型的 CAN 总线网络拓扑结构如图1所示，注意两端的终端电阻是必需的。

图1. CAN 总线网络拓扑

CAN 总线的几种数据帧

　　CAN 总线协议规定了5种帧，分别是数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧以及帧间隔，实践中数据帧的应用最为频繁。各种帧的用途如表1所示。

表1. CAN 总线数据帧的种类及用途

帧类型用途数据帧用于发送单元向接收单元传送数据的帧过载帧用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧帧间隔用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧遥控帧用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧错误帧用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧

CAN 总线的特点

　　CAN 总线网络是一种真正的多主机网络，在总线处于空闲状态时，任何一个节点单元都可以申请成为主机，向总线发送消息。其原则是：最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权；多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时，将发生仲裁事件，具有高优先级的节点单元将获得总线控制权。
　　CAN 协议中，所有的消息都以固定的数据格式打包发送。两个以上的节点单元同时发送信息时，根据节点标识符（常称为 ID，亦打包在固定的数据格式中）决定各自优先级关系，所以 ID 并非表示数据发送的目的地址，而是代表着各个节点访问总线的优先级。如此看来，CAN 总线并无类似其他总线“地址”的概念，在总线上增加节点单元时，连接在总线的其他节点单元的软硬件都不需要改变。
　　CAN 总线的通信速率和总线长度有关，在总线长度小于 40m 的场合中，数据传输速率可以达到 1Mbps，而即便总线长度上升至 1000m，数据的传输速率仍可达到 50Kbps，无论在速率还是传输距离都明显优于常见的 RS232、RS485 和 I2C 总线。
　　对于总线错误，CAN 总线有错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能三种应对措施，分别应对于下面三点表述：所有的单元节点都可以自动检测总线上的错误；检测出错误的节点单元会立刻将错误通知给其他节点单元；若正在发送消息的单元检测到当前总线发生错误，则立刻强制取消当前发送，并不断反复发送此消息至成功为止。
　　CAN 总线上的每个节点都可以通过判断得出，当前总线上的错误时暂时的错误（如瞬间的强干扰）还是持续的错误（如总线断裂）。当总线上发生持续错误时，引起故障的节点单元会自动脱离总线。
　　CAN 总线上的节点数量在理论上没有上限，但在实际上收到总线上的时间延时及电气负载的限制。降低最大通信速率，可以增加节点单元的连接数；反之，减少节点单元的连接数，则最大通信速率可以提高。