CAN (Controller Area Network) 协议 是一种高性能的、面向消息的、串行通信总线协议，最初由德国博世 (Bosch) 公司在1980年代开发，旨在解决汽车电子系统中大量的ECU (Electronic Control Unit) 之间复杂而繁琐的布线问题。如今，CAN协议已广泛应用于汽车、工业自动化、医疗设备、航空电子、机器人等多个领域，成为嵌入式系统中最常用的通信协议之一。

核心思想：CAN协议是一种多主、总线仲裁、基于消息广播、高可靠性的串行通信协议。它允许网络中的所有节点在不中断其他节点通信的情况下，通过非破坏性仲裁机制共享总线，并提供强大的错误检测和故障隔离能力。

一、CAN协议的核心特点

CAN协议之所以如此流行，得益于其独特的设计理念和以下核心特点：

  1. 多主通信 (Multi-Master)：网络中的任何节点都可以作为发送方，在总线空闲时发起通信。所有连接到总线的节点都可以接收并处理消息。
  2. 非破坏性位仲裁 (Non-Destructive Bitwise Arbitration)：
    • 这是CAN协议最独特和强大的功能之一。当多个节点同时试图发送消息时，它们会通过比较消息的仲裁段（Identifier） 来决定哪个消息优先发送。
    • ID值越小（二进制数值越低），优先级越高。
    • 仲裁过程是逐位进行的，优先级低的节点会在发送低电平（显性位，Dominant）时检测到其他节点发送高电平（隐性位，Recessive）时，立即退出总线竞争，等待下一轮发送。优先级高的消息则继续发送，不会被破坏。
  3. 基于消息的通信 (Message-Based)：
    • CAN总线上没有设备地址。数据以“消息”的形式广播，每个消息都有一个唯一的标识符 (Identifier, ID)。
    • 网络中的所有节点都可以接收到所有消息。每个节点根据消息的ID来判断是否需要处理该消息。
    • ID不仅标识消息内容，还决定了消息的优先级。
  4. 广播通信 (Broadcast Communication)：发送节点将消息广播到总线上，所有接收节点都可以接收。
  5. 数据一致性 (Data Consistency)：如果一个消息被任何一个节点确认收到错误，发送节点会重发该消息，直到所有接收节点都正确收到。
  6. 高可靠性和错误检测 (High Reliability & Error Detection)：CAN协议内置了强大的错误检测机制，包括：
    • 循环冗余校验 (CRC)：检测数据传输中的位错误。
    • 位填充 (Bit Stuffing)：防止长串相同位导致的时钟同步问题，并作为错误检测的一部分。
    • 帧校验 (Frame Check)：检测帧结构错误。
    • 应答校验 (ACK Check)：确保至少有一个接收器正确收到消息。
  7. 故障隔离 (Fault Confinement)：CAN节点能够区分临时性错误和永久性故障。如果一个节点频繁出错，它会被自动隔离（进入错误被动或总线关闭状态），以免影响整个网络的正常通信。
  8. 灵活性：通过软件配置，可以方便地增加或移除节点，而无需对硬件或其他节点进行大量修改。
  9. 物理层多样性：支持多种物理层实现，如高速CAN (ISO 11898-2) 和低速容错CAN (ISO 11898-3)。

二、CAN协议的OSI模型层次

CAN协议主要覆盖OSI模型中的数据链路层 (Data Link Layer) 和 物理层 (Physical Layer)。

2.1 物理层 (Physical Layer)

物理层定义了信号的电气特性、传输介质和总线拓扑。

  • 传输介质：通常使用两根双绞线 (CAN_H 和 CAN_L)，抗噪声能力强。
  • 信号电平：差分信号传输。
    • 显性位 (Dominant)：逻辑0，CAN_H和CAN_L之间有电压差（CAN_H高，CAN_L低）。
    • 隐性位 (Recessive)：逻辑1，CAN_H和CAN_L电压差接近0（通常都拉到中间电平）。
  • 总线终端电阻：总线的两端需要连接120欧姆的终端电阻，以消除信号反射，保证信号完整性。
  • 传输速率：
    • 高速CAN (High-Speed CAN, ISO 11898-2)：波特率高达1 Mbps，适用于大部分汽车应用。
    • 低速容错CAN (Low-Speed Fault-Tolerant CAN, ISO 11898-3)：波特率最高125 Kbps，即使一根线损坏也能通信，适用于对容错性要求高的场景。
  • 总线拓扑：线型拓扑结构，所有节点并行连接到总线。

数据链路层定义了消息帧的结构、仲裁机制、错误检测和故障处理。这是CAN协议的核心。

三、CAN协议消息帧结构

CAN协议定义了两种主要的消息帧格式：标准帧 (CAN 2.0A) 和 扩展帧 (CAN 2.0B)。

3.1 标准帧 (Standard Frame) 结构

标准帧包含11位标识符 (ID)。

1
2
3
[SOF] [仲裁段] [控制段] [数据段] [CRC段] [ACK段] [EOF]
  1    11位ID       RTR     6位    0-8字节    15位   2位  7位
           + SRR
  • SOF (Start Of Frame)：1位显性位 (Dominant)，表示帧的开始。
  • 仲裁段 (Arbitration Field)：
    • Identifier (ID)：11位，决定消息的优先级。ID值越小，优先级越高。
    • RTR (Remote Transmission Request) 位：1位，用于区分数据帧和远程帧。
      • 显性 (0)：数据帧，包含数据。
      • 隐性 (1)：远程帧，请求某个ID的数据。
  • 控制段 (Control Field)：
    • IDE (Identifier Extension) 位：1位，用于区分标准帧和扩展帧。
      • 显性 (0)：标准帧。
      • 隐性 (1)：扩展帧。
    • r0 (Reserved Bit 0)：1位保留位。
    • DLC (Data Length Code)：4位，表示数据段的字节数 (0-8字节)。
  • 数据段 (Data Field)：0到8个字节的数据。
  • CRC 段 (Cyclic Redundancy Check Field)：
    • CRC Sequence：15位CRC校验码，用于错误检测。
    • CRC Delimiter：1位隐性位，将CRC与ACK段分隔开。
  • ACK 段 (ACKnowledgement Field)：
    • ACK Slot：1位，接收到有效消息的节点会在此位置发送一个显性位，表示应答。
    • ACK Delimiter：1位隐性位。
  • EOF (End Of Frame)：7位隐性位，表示帧的结束。

3.2 扩展帧 (Extended Frame) 结构

扩展帧包含29位标识符 (ID)。

1
2
3
[SOF] [仲裁段] [控制段] [数据段] [CRC段] [ACK段] [EOF]
  1    29位ID       RTR     6位    0-8字节    15位   2位  7位
           + SRR + IDE

与标准帧的主要区别在于仲裁段：

  • ID (Identifier)：由11位基本ID和18位扩展ID组成，共29位。
  • SRR (Substitute Remote Request) 位：扩展帧独有，用于在仲裁过程中，让扩展帧（即使其基本ID与标准帧相同）在优先级上低于标准帧。
  • IDE (Identifier Extension) 位：隐性 (1)，表示这是扩展帧。

3.3 远程帧 (Remote Frame)

远程帧不包含数据段，其RTR位为隐性(1)。它用于请求网络中的某个节点发送特定ID的数据帧。

四、CAN协议的错误处理机制

CAN协议的错误处理是其高可靠性的关键。

  1. 错误检测 (Error Detection)：
    • 位填充 (Bit Stuffing)：在传输中，任何连续的5个相同电平位后面都会插入一个反向电平位。如果接收器检测到6个连续的相同电平位，则认为发生了位错误。
    • CRC 校验 (Cyclic Redundancy Check)：对整个消息进行校验，检测传输错误。
    • 帧校验 (Frame Check)：检测帧的结构是否符合规范。
    • 应答错误 (ACK Error)：如果发送器发送了消息，但在ACK Slot没有收到任何显性应答，则认为是应答错误。
    • 位监视 (Bit Monitoring)：发送节点在发送数据的同时监视总线电平。如果发送的电平与总线实际电平不符（除了仲裁过程），则认为发生位错误。
  2. 错误通知 (Error Signaling)：
    • 当节点检测到错误时，会发送一个错误帧 (Error Frame)。
    • 错误帧由连续6个显性位 (Active Error Frame) 或连续6个隐性位 (Passive Error Frame) 组成，故意违反位填充规则，以通知所有其他节点总线上发生了错误。
    • 所有接收到错误帧的节点都会丢弃当前正在传输的消息，并等待总线空闲后重传。
  3. 故障隔离 (Fault Confinement)：
    • 每个CAN控制器内部维护两个计数器：发送错误计数器 (TEC) 和 接收错误计数器 (REC)。
    • 根据错误类型和发生的频率，这两个计数器会增加或减少。
    • Error Active (错误主动)：正常状态。TEC/REC较低。节点可以发送和接收。
    • Error Passive (错误被动)：TEC/REC达到阈值（如128）。节点仍能发送和接收，但发送错误帧时是被动错误帧（6个隐性位），且在发送消息前需要等待额外的时间。
    • Bus-off (总线关闭)：TEC达到更高阈值（如255）。节点被隔离，不能发送或接收任何消息。需要软件干预（如复位）才能重新回到总线。
    • 这种机制确保了一个故障节点不会使整个网络瘫痪。

五、CAN协议的应用

CAN协议因其高可靠性、实时性和低成本等优点，在多个领域得到广泛应用：

  • 汽车电子：
    • CAN-BUS：用于发动机管理、变速器控制、ABS、ESP、安全气囊、车身电子（车窗、门锁）、仪表盘等。
    • CAN-FD (CAN Flexible Data Rate)：新一代CAN协议，支持更高的数据速率和更长的数据段（最高64字节），以满足自动驾驶、信息娱乐系统等对带宽和数据量的需求。
  • 工业自动化：
    • CANopen：基于CAN的更高层协议，提供设备行规和通信行规，简化了工业设备的互操作性，广泛用于传感器、执行器、PLC、机器人等。
    • DeviceNet：另一种基于CAN的工业控制协议，常用于离散制造领域。
  • 医疗设备：诊断设备、病人监护仪、成像设备。
  • 航空电子：飞机内部通信系统。
  • 电梯控制：实现多点实时通信。
  • 机器人：关节控制、传感器数据集成。
  • 智能家居：楼宇自动化。

六、CAN FD (CAN Flexible Data Rate)

CAN FD是CAN协议的演进版本，主要改进点在于：

  • 灵活数据速率 (Flexible Data Rate)：在仲裁段和数据段使用不同的波特率。仲裁段保持传统CAN的速率，以确保兼容性；数据段可以提高到传统CAN的5-8倍（甚至更高）的速率。
  • 数据段长度增加：从传统CAN的8字节增加到最大64字节，大大提高了数据传输效率。
  • 兼容性：CAN FD控制器可以与传统CAN控制器在同一网络中工作（但CAN FD帧只能由CAN FD控制器识别和处理）。

七、总结

CAN协议作为一种成熟、稳定且功能强大的通信总线技术，在过去的几十年中证明了其在恶劣环境下（如汽车）的卓越性能。其独特的非破坏性仲裁机制、强大的错误检测和故障隔离能力，使其成为实时控制和高可靠性通信的理想选择。随着汽车行业向电动化、智能化发展，以及工业4.0的推进，CAN及其增强版本（如CAN FD）将继续在嵌入式系统领域发挥关键作用。