CAN 總線誕生于上世紀 80 年代，有助于在車輛內進行可靠的電子通信。本文將深入探討 CAN 總線的基本原理、架構、協議、應用和局限性。

簡介

控制器局域網（CAN）總線由博世于 20 世紀 80 年代開發，是工業和汽車應用中常用的通信協議。它的開發旨在改善電子控制單元（ECU）之間的數據交換，從而提高汽車系統的效率。1993 年，CAN 被納入國際標準通信系統 ISO 11898，應用于工業和汽車領域。

它是一種基于報文的協議，最初設計用于汽車內的多路復用電氣布線，以節省銅纜，但也用于許多其他場合。對于業余愛好者來說，CAN 總線可能看起來令人困惑或復雜，但其核心原理卻是簡單明了的。

從汽車音響到防抱死制動系統，CAN 總線是一種允許汽車系統和設備相互通信的通信方法。CAN 總線是在對等 ECU 和其他設備之間交換指令的媒介。

CAN 總線的基本原理

控制器局域網（CAN）總線的運行原理是分散式聯網，即網絡上的所有節點（或設備）在傳輸數據的能力上都是平等的。這有別于由中央主設備控制通信的傳統網絡模式。

CAN 總線數據傳輸

在 CAN 網絡中，任何節點都可以在總線空閑時傳輸數據。數據以幀的形式發送，其中包含傳輸的信息以及用于錯誤檢查和識別的附加數據。

CAN 總線按照 "廣播 "原則運行 ，即所有節點都能接收到所有傳輸信息。然后，每個節點根據 CAN 幀中的標識符決定是忽略數據還是接受數據。該標識符不是源地址或目的地址，而是表示報文內容的標簽。這意味著同一報文可由多個節點接收和處理，這在汽車應用中尤其有用，因為在汽車應用中，多個系統可能需要相同的數據。這也意味著，特定節點無法根據地址向特定節點發送信息。

CAN 總線系統中的數據傳輸基于差分雙線接口（取代了復雜的線束和連接器），從而增強了在汽車電氣噪聲環境中的抗噪能力。CAN-High (CANH) 和 CAN-Low (CANL) 兩根線傳輸互補信號。當節點傳輸顯性（0）信號時，CAN-High 的電壓電平高于 CAN-Low。反之，當傳輸隱性（1）信號時，CAN-High 和 CAN-Low 處于同一電壓電平。

數據以幀為單位傳輸，幀由多個字段組成。其中最重要的是標識符字段和數據字段。標識符字段包含報文的標識符，接收節點用它來決定是否接受報文。數據字段包含實際傳輸的數據，在標準 CAN 中最多為 8 字節，在 CAN FD（靈活數據速率）中最多為 64 字節。

數據幀中各個字段的意義如下：

CAN 總線中的數據傳輸受帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 (CSMA/CD)原理的控制。這意味著每個節點都會監視總線（載波偵聽）并在總線空閑時進行傳輸（多路訪問）。如果兩個節點同時傳輸（沖突），則標識符值較低的節點繼續傳輸，而另一個節點停止傳輸。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先級的消息（具有較低標識符的消息）。

錯誤檢測和處理

CAN 總線系統的主要特點之一是其高效的錯誤檢測和處理能力。該系統包含五種錯誤檢測方法，每種方法都旨在確保數據傳輸的完整性，具體討論如下：

比特監控：CAN 網絡系統中的每個傳輸節點在傳輸過程中都會監控總線的狀態。如果總線狀態與預期狀態不符，節點就會知道發生了錯誤。

幀校驗序列（FCS）：該字段包含一個循環冗余校驗（CRC）值，該值根據幀中的數據計算得出。每個接收節點計算自己的 CRC 值，并與接收到的 FCS 進行比較。如果兩個值不匹配，節點就會知道發生了錯誤。

確認檢查：每個幀都包含一個 ACK 時隙，所有其他節點都要在這個時隙中發送一個顯性比特，以確認收到該幀。如果發送節點在 ACK 時隙中沒有檢測到主位，它就知道發生了錯誤。

幀格式檢查：每個幀都有特定的格式，包括預期顯性位和隱性位的特定位置。如果節點檢測到違反此格式的情況，就知道發生了錯誤。

錯誤幀：當節點使用上述任何一種方法檢測到錯誤時，它會傳輸一個特殊的錯誤幀，提醒所有其他節點注意該錯誤。這會導致所有節點丟棄當前幀，等待重新傳輸正確的幀。

檢測到錯誤時，檢測到錯誤的節點會自動重新傳輸幀。這種情況一直持續到無錯傳輸幀為止。如果節點檢測到太多錯誤，它就會進入錯誤被動狀態，此時它只監聽總線而不傳輸。如果錯誤繼續發生，節點將進入總線關閉狀態，與總線斷開連接。這種機制可確保故障節點不會中斷總線上的通信。