干货分享：CAN总线详解 整车的控制只需要一条线

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CAN（“Controller Area Network”，控制器局域网）

作用：将整车中各种不同的控制器连接起来，实现信息的可靠共享，并减少整车线束数量。可以设想一种极端情况，如下图所示：

如：果整车上所有的用电设备都是一个独立的CAN总线节点，并且每一个节点都向外发送自己当前的状态，并接受来自外部的信息， 那么整车的控制只需要一条CAN总线控制线和电源线就可以了！

CAN总线的基本工作原理

CAN总线的通信通过一种类似于“会议” 的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而 是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式），二者对应关系如下：

CAN总线工作流程

CAN总线的优势

数据传输速度高1Mbit/s，距离远

抗干扰能力强（差分数据线）

具有自我诊断能力（错误侦测）

CAN总线网络结构

01 CAN总线网络节点结构

02 为何CAN收发器

照BOSCH CAN总线标准将0或1逻辑信号转换为标准中规定的电平，同时有反馈功能

CAN总线上的电平

CAN2.0A/B标准规定：总线空闲时，CAN_H和CAN_L上的电压为2.5V

在数据传输时，显性电平（逻辑 0）：CAN_H 3.5V CAN_L 1.5V

隐性电平（逻辑 1）：CAN_H 2.5V CAN_L 2.5V

03总线长度的思考

影响总线长度的主要因素：

（1）CAN总线通信的应答机制，即成功接收到一帧报文的节点必须在 应答场的”应答间隙“期间发送一位“显性位”表示成功接收到一帧数据

如：通信速率为250Kbit/s，传送一个bit所需时间为：1/250×1000 = 4μ 那么，该信号在总线上的延时时间必须小于（2μ？）才能保证发送节点成功的在应答间隙期间接收到该“显性电平”。

任何一根导线都可以简化为左图所示的电路模型，可以看到，其中既有电感又有电容，因此，电流在其中传输并不是光速，而是需要一定的时间。

对于双绞线而言，信号在其中的传播延时时间约为，5ns/m（典型值）。当通信速率达到1Mbit/s时，40m的总线长度， 延时时间就达到200ns，而允许延时时间为600ns左右，还是不能不考虑的！

由上面的分析可知：

总线通信速率越高，通信距离越短，对物理传输线的要求就越高，在双绞线、屏蔽线还是其他的传输线选择上，通信速率是一个很关键的参数。

影响总线长度的其他因素：

信号在节点ECU内部的延时时间

振荡器的容差（各个节点ECU内部晶振频率的差别） 这些因素加起来就形成了CAN总线通信中总的信号延时。

CAN总线的硬件抗干扰

共模电感作用：共模电压有较大的感 抗，差模电压感抗为零，相当于电感滤波。对共模电流有较大的阻碍作用。

终 端 电阻 120 欧姆并非固定不变，这跟使用的导线有关！

总线长度的限制——位定时、同步

CAN总线控制器按照时间片的概念将每一个bit的时间划分成了n个时间片。这样做的目的就是为了实现CAN总线的同步、保证不同节点间时间的一致性。

如：晶振和CAN CLOCK，频率均为4MHz，那么每一个时间片最小时间就为0.25μs，通信波特率为250Kbit/s，那么每一个bit的时间就为4μs， 因此，每一个bit的总的时间片数目就为16。当然可以进一步提高晶振频率，使得每一个bit被划分的更加细致。

CAN2.0A/B将每一个bit的时间划分成了4段，同步段、传输段、相位段1和相位段2，每一段占用一定的时间片

Can总线报文帧结构

CAN总线共有四种报文：

1 数据帧

2 远程帧

3 错误帧

4 过载帧

数据帧定义

帧起始：1bit。从图中看出，在帧间隙后由逻辑1（至少两个bit）向逻辑 0 的跳变就被认为是帧起始，它的作用就是为了硬同步。

仲裁场：由29bit的ID标示符和IDE、SRR、RTR位构成。IDE位用于标示该帧是扩展帧（29bit ID）还是标准帧（11bit ID）；SRR在扩展帧 中 为 一 隐 性 位 ；R T R 位 为 远 程 帧 标 志 位 。

由上图可以看出，11bit的基本ID首先被发送（ID28~ID18），然后在发送18bit的扩展ID（ID17~ID0）

CAN总线的仲裁机制

要点

（1）首先发送ID的29位，优先级问题

（2）总线电平由谁决定

CAN总线总裁机制的实现也就实现了CAN总线的多主机模式，总线节点不存在谁主谁从的概念

注意：我们可以人为的给29位的ID赋予一定的意义从而区分不同的报文类型！

报文滤波

报文滤波可以通过软件编程的方式实现，也可以通过硬件（芯片内部的报文滤波寄存器）实现，但二者实现的原理是相同的，如下图所示：

数据帧中的其他场作用

控制场：包括两位保留位（必须为0），和数据长度位（DLC0~DLC3） 数据场：包括最多8个字节的数据

CRC场：是一种算法，对数据进行CRC校验，共15bit，其后跟了一位CRC界定符——为1（隐性电平）

应答场：为两个1（总线电平为低电平），其中一位为应答间隙，另一位为应答界定符。成功接收到数据的节点必须发送一位显性位（总线电平为高电平）

来应答该发送节点，必须注意：该显性位必须在应答间隙期间， 即1bit的时间内将总线电平拉高。帧结尾：7个连续的1组成（隐性电平）

CAN总线的侦听机制—支持仲裁及错误检查

帧听就是发出去的数据再采样回来，比较采样回来的数据是否和发出的数据一致！

CAN总线错误检测

CAN总线通过如下几个方面进行错误检测

当节点赢得总线发送权后，会对总线电平进行检测，当发送的电平和检测到的总线电平不一致时，认为错误；

出现6个连续相同的电平时，认为是填充错误；

CRC错误，接收数据的节点按照与发送数据的节点相同的方法计算数据的CRC校验值，如果接收节点的计算结果与数据包中CRC场的数据不一致， 认为是CRC错误；

应答错误，在应答场如果没有监控到一个显性电平，那么就认定一个应答错误；

固定位错误，例如：CRC界定符等，其电平是固定的，当监控到该电平不相符时，认定一个错误；

另：总线同步机制也是CAN总线容错的一种方式；

注意：通过上面5种错误检测机制，发送节点和接收节点均可以检测到总线上的错误，并通过错误的累加来实现总线节点的关闭等操作

CAN总线负载率计算

计算例子：

假设CAN总线波特率为250Kbit/s，总线报文发送时间间隔为10ms， 报文为数据帧（8个字节数据），那么10ms内总线能够支持的最大报文数量为多少？

第一步：根据通信波特率计算10ms总共可以发送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit

第二步：计算最长的一帧报文有多少个bit

1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data

+ 16crc + 2ack + 7eof = 128bit

第三步：计算10ms内可以支持的报文数目

2500/128 ≈ 19

由上面的计算可知，当10ms间隔的报文数量超过19条时，就会出现丢帧，总线饱和。

计算报文数量也是设计CAN网络所要考虑的，可以查阅相关文献看负载率在多少时合适

来源：头条 亿佰特物联网实验室

—— The End ——

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