一文看懂CAN协议
2025-7-18新闻
CAN协议的诞生与发展
CAN（Controller Area Network）协议诞生于1986年，由德国博世（Bosch）公司为了解决汽车内各电子控制单元（ECU）之间的高效、可靠通信需求而提出。1987年发布第一版，1993年正式成为国际标准 ISO11898。一句话总结：CAN协议是为了解决汽车内设备间的高速、抗干扰通信而生的总线标准。
3. CAN控制器与CAN收发器
CAN控制器负责数据帧的组帧、收帧、错误检测、仲裁和协议处理。一般集成在MCU或外部芯片内（如SJA1000）。
CAN收发器（Transceiver）负责电气信号的物理层转换，将数字信号（TTL/CMOS电平）转换为CAN差分信号，常见芯片有TJA1043、SN65HVD230等。
一句话理解：控制器管“内容”，收发器管“信号”。
4. 线与逻辑：CAN_H、CAN_L和线与仲裁
物理层：CAN采用双线差分信号（CAN_H与CAN_L），抗干扰能力强，支持大约40米至数公里的传输距离。
逻辑“线与”：CAN总线采用“线与”机制，只要有一个节点输出显性（Dominant）电平，整个总线就是显性。
显性电平（0）： CAN_H > CAN_L（一般3.5V对1.5V）
隐性电平（1）： CAN_H ≈ CAN_L（一般2.5V）
仲裁机制：所有节点同时发送数据，ID（标识符）低位（0）优先。如果有节点发送隐性位，但总线上检测到显性位，则主动退出——ID越小，优先级越高。
5. 为什么ID越小优先级越大？
CAN ID本质上是数据帧的“地址”或“标签”。
仲裁过程：发送过程中每个节点在每一位都对比自己发出的和总线实际的，如果发现自己发的是1（隐性），但总线是0（显性），说明有更高优先级的帧，自己必须让路。
举例：
NodeA发0x100（0001 0000 0000）
NodeB发0x080（0000 1000 0000）
谁先在第4位上发0，谁优先
所以ID越小，优先级越大！
6. 没有时钟信号，CAN如何实现同步？
CAN是异步通信，不像SPI、I²C等总线需要主时钟线。所有节点各自拥有自己的波特率时钟，但数据能在网络上“对齐”，靠的不是外部时钟，而是协议自带的“同步机制”。
1）边沿同步（Edge Synchronization）
CAN总线采用NRZ（非归零）编码，数据跳变（显性/隐性转换）会成为各节点同步信号。只要侦测到边沿（信号变化），所有节点自动用这个边沿调整采样点，对齐时钟，防止时钟漂移。
2）位填充（Bit Stuffing）
为保证传输中始终有同步边沿，CAN规定：每发送5个连续相同位，就自动插入1个反转位，这样强制制造跳变，各节点就能根据跳变修正采样点。
3）多采样点采样
每个节点实际内部是“超采样”，通常每个比特周期分8~16份，只在最合适的点采样。采样点会根据实际边沿自动校准，抵抗时钟微小漂移。
4）同步举例
比如一个节点时钟偏快，采样点提前，遇到跳变后会立即修正。长期运行下，所有节点即使有时钟误差，也能靠跳变信号保持同步。
5）回传机制（Loopback / Monitoring）
回传机制（自监视/回读）：
节点发送数据时会同步接收总线上的实际信号（边发边收）。
7. bus-off：CAN的自我保护机制
什么是bus-off？
当某个节点连续出现大量发送错误（典型值：128次/256次），CAN控制器会进入bus-off状态。
bus-off后，节点会停止向总线发送任何数据，直到经过一段恢复机制。作用：防止“异常节点”一直影响总线健康，提升系统鲁棒性和安全性。
Q&A：CAN相关常见问题
1. CAN是全双工通信吗？
2. 使用CAN协议，芯片厂商是否需要向博世/ISO支付费用？
3. CAN和LIN、FlexRay、以太网有何区别？
简明对比：
4. CAN网络为什么要终端电阻？如果没接会怎样？
5. CAN节点可以“热插拔”吗？
6. CAN的典型应用场景有哪些？
7. CAN帧有哪些类型？每种类型有什么用？
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