can 总线入门———can简介硬件电路

0. 前言

博客内容来自B站上CAN总线入门教程视频讲解，博客中的插图和内容均为视频中的内容。视频链接 CAN总线入门教程

1. CAN简介

先来看看一它名字的意思，can总线，英文全称是 Controller Area Network Bus， 直译是控制器局域网总线，简称 C A N 总线，一般就读作CAN总线，从名字也可以看出来，CAN总线构建的是一种局域网网络，每个挂载在 CAN 总线的设备都可以利用这个局域网去发送自己的消息，也可以接收局域网的各种消息，每个设备都是平等的，都在共享这个局域网的通信资源。这是CAN总线的设计理念。

CAN 总线是由 BOSCH 公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通讯总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域。CAN总线最初就是为了汽车而设计的，所以其对可靠性和稳定性的要求非常高。 待会我们也可以了解到，CAN总线的差分信号、应答机制、 CRC 校验、错误处理等设计无处不体现出其严谨和安全。

在满足这么多功能和性能的同时，CAN 总线仍然能保持一个非常简洁易用的硬件电路，所以说CAN 总线的设计还是非常成功的。现在 CAN 总线已经成为一种通用的通信方式，不仅限于汽车领域，在其他很多领域也都有 CAN 总线的身影。另外近几年新能源汽车的火热发展，也促使了很多人来学习CAN总线。

接下来概括的看一下 CAN 总线的特性：

1. CAN 总线只有两根通信线，CAN_High和CAN_Low，简称CAN_H 和CAN_L，线路少，且无需共地。也就是说CAN 总线总共就只需要两根线，就能实现任意设备的互相通信了，而且不需要共地，因为它是差分信号，所以CAN 总线的线路非常少。

比如说 I2C 通信，它也只有两根通信线 SCL 、SDA，但是 I2C 是单端信号，必须得共地，所以实际上 I2C 至少得 3 根线。

2. CAN 总线采用差分信号通信，CAN_H 和CAN_L 就是一对差分线，差分线的好处就是抗干扰能力强。如果线路产生干扰，则一般两根线的电压都会同时出现波动，但是两根线的电压差值仍然是不变的，所以利用这个电压插值来传递数据就能极大地避免干扰。

3. 目前 CAN 总线分为了两种标准，高速 CAN 和低速 CAN。高速 CAN 在国际标准中叫 ISO 11898，其传输速率为 125k ~ 1Mbps，传输距离 < 40m。低速 CAN 叫 ISO 11519，传输速率为10k ~ 125 kbps， 传输距离 < 1 km。可以看出高速 CAN传出快，但是距离较短，低速CAN传速慢，但是距离很远，这个可以根据应用场景选择。当然本课程侧重学习的是高速 CAN ，这个应用广一些。低速CAN也有涉及，所以着重学习高速 CAN即可。

4. CAN总线是异步的，无需时钟线，通讯速率由设备各自约定。这点和串口非常类似。

5. CAN总线是半双工的，不可以同时发送和接收。CAN总线可挂载多设备，每个设备都可以占用CAN总线来发送自己的数据，多设备同时发送数据时会通过仲裁判断先后顺序。也就是让大家排好队，消息都是可以发出去的，这个后续还会详细介绍。

6. 11位 /29位 报文 ID ，用于区分消息功能，同时决定优先级。CAN总线是通过发送方广播自己的消息来实现多设备互相通信。每个设备都可以广播消息，那自然，每个消息也最好都加一个 ID，用于区分功能。否则谁知道每个消息都什么意思呢，对吧？

   报文 ID 有11位的，叫标准格式，后来又扩增至29位，叫扩展格式。同时，报文 ID 不仅可以区分消息功能，当不同消息想要同时占用总件发送时，报文 ID 还决定优先级， ID 号小的优先发送，这是报文 ID 的作用。

7. CAN总线的一个数据帧可以配置 1~ 8 字节的有效载荷。这个类比串口，串口一次只能发一个字节，而CAN总线比较强大，它最大一次可以发 8 个字节，并且可以灵活指定数据长度，1~8字节随意配展。

8. CAN 总线可以实现广播式和请求式两种传输方式。刚那么看到示例属于广播式传输方式，就是一个设备发送数据，其他所有设备都能收到，然后接收方根据报文 ID， 来决定用不用这个数据。大概的场景就是，发送方说：管你们要不要，我反正把数据发出去了，你们谁要谁拿走，这是广播式，也是CAN总线最常用的方式，我们主要学习广播式即可。

   除了广播式，CAN总线还可以有请求式，请求式的场景是数据发送方不会主动广播自己的数据，而是只有收到接收方发出的请求，发送方才会发数据，这样一个数据的传输就需要先请求再接收，一来一回两个过程，这是请求式。

9. CAN总线的设计，还包括应答、 CRC 校验、位填充、位同步、错误处理等诸多特性，这里简介大家有个印象就行，接下来再慢慢细说。

2. 主流通讯协议对比

回顾一下其他主流的通信协议，有 UART 串口、I2C 和 SPI。

CAN 总线的设计，跟这些协议有诸多相似的地方。尤其是 UART 和 I2C。在我看来 CAN 总线就是 UART 和 I2C 的结合体，当然需要再加一点点细节。 CAN 总线既继承了 UART 的方便易用，又拥有像 I2C 一样的多主机特性。在差分信号的设计上，又和 RS485 异曲同工。可以说，如果你对 UART 串口和 I2C 很熟悉，那么 CAN总线 就已经学会一半了。

但是如果你不会 UART 和 I2C，那本课程理解起来可能有点困难，不过也不要害怕，虽然原理部分你可能不能完全理解，但是本课程只要你有个大体上的概念即可，因为CAN 总线的底层操作，STM32 都已经包办了，最终写程序的时候，并不需要你对底层原理完全了解，那 UART 和 I2C 的知识点这里就不再讲了。

对比这几种通信协议，我总结了它们的一般应用场景：

1. 比如串口，就是点对点的两个设备互相通信。左下角这个图是串口的电路，比如单片机和电脑的串口助手点对点通信，或者单片机和一些模块点对点通信，串口的使用是最简单的，但是串口的弊端就是只能两个设备点对点的通信。

2. 下一个 I2C 通信，它的电路是中间这个图，一般的应用场景就是：一个单片机当作主控，然后外挂多个被动的传感器、存储器等模块。虽然 I2C 也有和 CAN 类似的多主机设计，但是 I2C 的多主机不太方便，应用也不多。所以 I2C 的主要场景，还是一主多从。

3. 然后 SPI 通信协议的场景和 I2C 类似，也是一主多从的模型，其通信电路如右下图所示，SPI 的线路更多，但是其通信速率是最快的，轻松达到 Mbps， 比本节我们讲的 CAN 总线还快。SPI 主要应用于高速通信的场景。

   那么总结以上场景：I2C 和 SPI 一般都是一主多从的，只能有一个主控。 UART 虽然两个设备都可以是主控，但是它只能点对点的通信，主控的数量有限。所以如果我的应用场景是需要有很多个主控，单片机互相进行通信，比如5个或10个 STM 32，它们之间想任意互相传数据，这该怎么办呢？

   显然，以上三种通信协议都难以胜任这个工作，而我们本节所讲的CAN总线最大的优势就是可以实现多个主控互相通信。它的应用场景就是超过两个的单片机主控系统之间进行通信，我们可以用两根线的CAN总线将每个主控串起来，这样就直接可以实现任意的数据传输了。

   CAN 总线的设计目的，以及什么场景下需要用CAN总线，我们就清楚了。

接下来本节课的内容主要分为 5 章：

1. 第 1 章是 CAN 总线的硬件电路如何接线、电平标准是什么，CAN 收发器有什么用，以及CAN 物理层特性的总表。
2. 第 2 章是 CAN总线的帧格式，也就是如何将要发送的数据编码为CAN总线上的时序波形，这里主要学习 CAN 总线的 5 种帧类型，数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧以及帧间隔，之后了解位填充的规则，就可以分析CAN总线的实际波形了。
3. 第 3 章是 CAN 总线接收方要考虑的问题，发送方发出一段波形，接收方该如何采样得到数据呢？首先抛出两个问题，之后针对这两个问题，CAN 总线定义位时序，并且设计了硬同步和再同步的规则来解决以上两个问题。最后波特律的计算方法也了解一下。
4. 第 4 章是 CAN 总线多设备同时发送的处理方法，两个设备想同时发送，但是CAN 总线只能承载一个波形，如何分配通信资源，这是CAN总线要考虑的。在这里 CAN 总线定义有先占先得和非破坏性仲裁 两个资源分配规则，其中仲裁过程以及各类型帧的优先级也会学习。
5. 第 5 章是CAN 总线的错误处理，总共有哪些错误，以及如何处理这些错误。

3. CAN 硬件电路

下面这两个图就是CAN 总线的电路接法

左图为闭环 CAN 总线是高速 CAN的接法。右图为开环 CAN总线是低速CAN的接法，重点学习高速 CAN。

1. 每个设备通过 CAN 收发器挂载在 CAN 总线网络上。

这里画了3个设备作为 CAN 的节点，每个设备都可以是一个 CAN 的主控系统，比如 STM32、单片机，有更多的设备也都是类似的接法。那每个设备都得通过一个CAN 收发器接入到 CAN 总线，CAN收发器就是一个芯片，主要实现电平转换、输出驱动和输入采样几个功能。

2. CAN 控制器引出的 TX 和 RX与 CAN 收发器相连，CAN 收发器引出的CAN_H 和CAN_L 分别与总线的CAN_H 和CAN_L 相连。

下图也可以看出，在每个CAN 节点里的主控设备会内置有 CAN 控制器，比如 STM32 中的CAN外设电路，CAN 控制器只会引出 TX 和 RX 两个端口，这两个端口不能直接接到 CAN 总线，必须要借助 CAN 收发器来接入，CAN 收发器会有 TX 、RX 、 CAN_H 和CAN_L 等引脚。CAN 控制器的TX、RX 就和收发器相连，TX 接 TX，RX 接 RX，无需交叉。然后 CAN 收发器的CAN_H 和CAN_L就直接和 CAN 总线相连。CAN_H 接CAN_H，CAN_L 接 CAN_L 这样每个节点就成功挂载到了总得 CAN 总线上。
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下面这两根线就是串联各个节点的CAN 总线，CAN 总线里走的是差分信号，一般会用双绞线作为载体，避免干扰，

3. 高速 CAN使用闭环网络，CAN_H 和CAN_L两端添加120Ω 的终端电阻。可以看到这两根 CAN主线串联每个节点后，它的两端要分别接一个120Ω 的电阻，使 CAN 主线形成一个闭合的环路。所以叫闭环 CAN 总线。

那加这两个终端电阻主要作用有两个：
第一个作用是防止回拨反射，尤其是高频信号远距离传输的场景，回拨反射是不能忽略的问题。关于回波反射具体原因，可以学学"传输电理论"，这里仅解释现象。如果不加终端电阻，信号波形会在线路终端反射，进而干扰原始信号，最终的波形可能是当信号跳变时，它会在边沿震荡几下，这会干扰数据的正确传输。
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如果加上终端电阻且阻抗匹配，则信号的跳变沿就会变得非常平稳，这是终端电阻的第一个作用。
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第二个作用是在没有设备操作时，将两根差分线的电压"收紧"，使其电压一致。这里我用一个比较直白的词，“收紧”。它的意思就是在没有设备操作总线的情况下，这个电阻就像一根弹簧一样，会将两根线的电压拉到同一水平，也就是所说的收紧。

这一点其实和 I2C 的上拉电阻一样，I2C 是这样的，两根通信线各加一个上拉电阻，默认拉高至高电平。当有设备想发送 0 时，就把线路强制拉低至低电平，当有设备发送 1 时，不是把线路强制拉高至高电平，而是不去碰这个线路。
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线路由上拉电阻，默认拉高至高电频，这样的好处是可以防止电平冲突，同时，这还能实现"线与"的特性，对总监仲裁十分重要。

那这个上拉电阻就也类似一个弹簧，默认把电压拉高至高电平，在CAN总线这里也采用了类似的设计，因为 CAN 总线是差分信号有两根线，所以两边的终端电阻可以将两根线"收紧"至电压一致状态，代表的就是默认的1状态，并且这两个电阻的阻值并不大，所以这个收紧的速度是比较快的，使得CAN总线支持的最大速率也比较快，但是代价是CAN总线的功耗也会比较大，这里当某个设备想要发送0时，它就会操作总线，把发动线拉开，使其呈现 0 状态。当设备想发送 1 时，就不去碰总线，总线在终端电阻的收缩下自动归位默认状态1，这一点尤其重要。

一定要注意，当设备想发送 1 时，它无需对动线进任何操作，因为总线的默认状态就是1。 这是高速 CAN的电路，以及高速 CAN如何发送0和1的操作方式。

4. 低速 CAN 使用开环网络，CAN_H 和CAN_L 其中一端添加 2.2 kΩ 的终端电阻，也就是右下角这样，两根线没有形成环路，所以叫开环CAN总线。

   其中这个电阻的接法比较特殊，其一端接到总线，另一端是悬空的，根据电路的原理，这个电阻应该是没有任何作用的，因为电路只有形成回路才有效。但在这里它可以有防止回波反射的作用。

   另外这个电阻没有连接两根线，所以这两个电阻并没有"收紧"作用。以上就是 CAN 的硬件电路。

对于其连接方式和要点，大家务必掌握，因为用 CAN 总线肯定避免不了接线。那线路看好了，我们再看一下，CAN 的电平标准。

4. CAN 电平标准

1. CAN 总线采用差分信号，即两线电压差（VCAN_H - VCAN_L） 传输数据位。

2. 刚才我们也形象地介绍了如何利用这两根线传输 1 和 0，现在来看一下它的具体规定。首先，高速 CAN 的规定是电压差为 0 V时表示逻辑1（隐性电平），电压差为 2V 时表示逻辑 0(显性电平）。

   这里注意一下，逻辑1又称隐性电平，逻辑0又称显性电平，这个定义是反直觉的，正常的想法应该1表示显性，0表示隐性，那为什么这里是反着定义的，1表示隐性，而0却表示显性呢？

   我们对照下面这个图分析一下，这里有两种波形表示方式，一种是逻辑电平表示，高电频表示逻辑1，低电频表示逻辑0。

   一种是查分电平表示，这里有两根线，红线表示CAN_H 线的电压，蓝线表示CAN_L 线的电压。当 CAN_H 和CAN_L 对地的电压都为 2.5V 时，两线电压相等，电压差为 0V，表示当前CAN总线处于逻辑1的状态。当CAN_H 对地电压3.5V，CAN_L对地电压1.5V时，两线电压差为2V，表示当前CAN总线处于逻辑0的状态。

   比如 CAN总线想发送101的数据流，那么CAN总线就会呈现出两线收紧，两线张开，两线收紧这样的状态。

   当然这里逻辑表示和差分表示完全等效，在CAN总线里实际传输的是差分电平，而在STM32的引脚以及常见的时序画法里会出现逻辑电平表示，因为实际画时序波形的时候总是画两根线难免比较麻烦。况且这两根线实际只有1和0两种状态，所以我们就可以简化一下，画个逻辑表示就行了，比如后面的帧时序，为了简便，使用的都是逻辑电平画法，时许里只有一根高低电平的线，但是大家要知道，它这里画的高低电瓶并不直接表示CAN总线里传输的是高低电平，而是表示总线收紧还是总线张开的状态，这一点要注意一下，然后继续看，这里总线收紧状态称为隐性电平，总线张开状态称为显性电平。

   因为总线收紧状态被定义为了逻辑1，所以就会出现，1又称隐性电平的反逻辑，显性和隐性表示的是总线的状态，两线收紧没有电压差是默认状态，所以叫隐性。两线张开产生电压差是需要设备干预的状态，所以叫显性。这样定义显性、隐性是符合常识的。

   在和逻辑电平的对应上，因为电路约定俗成的习惯，就是默认状态为高电平1，所以默认的隐性电平就和逻辑1绑定了，显性和0绑定，另外，显性电平和隐形电平同时出现时，总线会表现出显性电平状态，这也能对应电路中，常用的"0强于1"的规定。

   这是一对应隐性，0对应显性的设计原因。简单来说，显隐性描述的是总线的状态，1和0是为了与电路约定俗成的规则对应。这就是高速 CAN的电平标准定义。

3. 低速CAN的电平规定，电差为-1.5V时，表示逻辑1（隐性电平）。电压差为3V时，表示逻辑0显性电平。

   右下角是低速CAN的波形图，当低速CAN想要发送101的数据流时，总线就会呈现这样的状态，CAN_L 为3.25 V，CAN_H 为1.75 V，电压差为-1.5 V时，表示1。CAN_L 为1V，CAN_H 为4V，电压差为3V时表示 0 。在规定上，其实和高速 CAN差不多，但是低速CAN 传输距离更远。

   考虑线路会有压降，所以把1和0电平电压的差距加大了，由此1和0变化的行程更长了，这样即使有一些压降，也能明显地区分出1和0的电平差异。同时，也看出低速CAN默认的逻辑1，隐性电平 CAN_H 和 CAN_L 电压并不相等，所以对应起电路，总线两端就不能用终端电阻闭合连在一起了。如果像高速 CAN 一样连在一起了，那么终端电阻就有收紧两线电压的趋势，这样就和低速CAN默认两线电压不相等的设计相悖了，对于高速 CAN 默认的隐性电平，两线电压就是相等的，所以总线两端加闭合的终端电阻就更有利于总线快速回归隐形电平。

高速CAN总线回归隐形电平快，传输速度就会快，低速CAN总线回归隐性电平慢，传输速度自然就慢。这是高速 CAN和低速CAN的设计思路。

5. CAN 收发器

好，电平标准定义看完了，接着简单看一下，CAN 收发器的内部框图。

刚才我们说了，每个 CAN 设备都得通过 CAN 收发器挂在总线上，那CAN收发器有什么用？
可以干哪些工作呢？

看一下这个框图就知道了，这里介绍的CAN收发器型号是 TJA1050，是一个高速 CAN的收发器，左边是芯片内部框图，右上角是芯片的引脚布局，右下角是引脚描述。

这个芯片总共有8个角，GND和 VCC 需要提供5V的供电。TXD 和RXD 与设备的CAN控制器相连，CAN_H 和 CAN_L 与CAN总线相连，Vref是参考电压输出，可以不用 。S是高速模式还是静默模式，可以理解为是一个开关，也可以不用，所以这个芯片的接线非常简单，一看就懂，然后看这个芯片内部可以干点啥呢？

首先右边CAN_H和 CAN_L 就是CAN总线，左边接收器可以时刻检测总线电压差并输出到左边这根线，如果总线有电压差就输1，如果总线没有电压差就输出0，这个1和0通过两个场效应管的输出驱动器输出到 RXD 引脚。这两个管，可当成是电子开关，右边为1时，上管断开，下管导通，输出0。右管为0时，上管导通，下管断开，输出1，所以这两个管还有个电瓶反向的功能。最终整体上看，当CAN总线有电压差时，输出RXD 引脚为低电平0，表示显性电平。CAN总线没有电压差时，输出RXD 引脚为高电平1表示隐性电平，所以RXD 这一块，就是输入部分。那上面 TXD 这一块就输出部分了，当 TXD 为1时，后面这个驱动器就会让这边两个场效应管都断开。相当于不对总线进任何操作，总线在外边终端电阻的收紧作用下，呈现默认的隐形电平。

另外，可以看出，内部这里还有两个电阻，这个电阻叫“中拉电阻”，通过这两个电阻可以把CAN_H和CAN_L 两根线都拉到0.5倍 VCC 的中间电平，也就是CAN_H和CAN_L 的默认对地电压都是2.5伏左右。

同时，这两个电阻也有一定的收紧作用，不过它们的阻值比较大，所以收紧作用主要还是靠外面的终端电阻来实现，这是这个问题。

当 TXD 给 0 时，后面这个驱动器就会让这边两个场效应管都导通，这就相当于有两只手，上面的手将CAN_H 电压拽高，下面的手将 CAN_L 的电压拽低，这样两线就会分开，产生电压差，总线呈现显性电平0的状态，这就是发送0的操作。

最后这里还有几块，左边这个是电流源上拉，类似于上拉电阻，作用是如果 TXD 悬空了，那么这里会保持默认输入1的状态，防止输入引脚电平不确定造成误操作。然后这里是 TXD 显性超时计时器，作用是，如果 TXD 出现异常，始终输入显性电平0，始终拽着总线不放，那么CAN总线将始终呈现显性电平0状态，这样整条总线将会瘫痪，并且没有设备可以阻止这一情况，所以在这里，收发器加了一层保险，如果设备异常，始终拽着总线不放，那么等一段时间后，收发器将会自动去释放总线，防止总线瘫痪。

然后这个是一个开关控制 ，S引脚可以选择是否静默，S 引脚有个下拉的电流源，可以看出，如果 S 悬空则会默认输入0，最后这个是温度保护，如果温度异常，则会控制驱动器切断输出，以免干扰CAN总线，那这一块就输出部分了。

整体来说就是，如果 TXD 给1，则不会对总线进行任何操作，总线呈现默认的隐形电平1，如果 TXD 悬空，则默认也是给1。如果 TXD 给0，则驱动器会把CAN_H 拉高 ，CAN_L 拉低，输出显性电平 0。

如果 TXD 一直给0出错了，则显性超时，收发器会主动释放CAN总线。好，这就是收发器的全部内容。

最后，通过这个CAN 物理层特性的表，来总结下第一章的内容。

1. 首先 ISO 11898 是高速 CAN，最高1Mbps，最长40米，总线最高挂载30个节点设备，隐性电平时，CAN_H和CAN_L的对地电压均为2.5V。电压差为0表示的是隐性电平，逻辑1。显性电平时，CAN_H 3.5V，CAN_L 1.5V，电压差为2V，表示的是显性电平逻辑0。当然，这些电压都会有一些容差范围，在这个范围内均可，高速 CAN的差分信号，一般使用双绞线传输，是闭环总线，阻抗120Ω，终端电阻也是120Ω。

2. 然后右边是 ISO11519-2，杠几就是标准的第几次修订板哈。那它是低速CAN，最高125kbps，最大长度1 km，当然在最大长度时，其速率只能支持到40 kbps，低速CAN 最高挂载20个节点设备，其使用的也是双绞线，不过是开环的总线，阻抗是120Ω，终端电阻是2.2 kΩ，其他的参数自己看。

好，这是 CAN 总线的第一章，CAN 物理层的全部规定了。CAN 物理层规定了硬件电路该怎么接，电平定义是什么，以及如何发送显性电平0和隐性电平1。至此，我们就学会了CAN总线是如何发送一个数据位的，那实际应用中，我们肯定不满足于只发送一位数据，对吧？

这样，就需要连续发送多位数据来组成数据流，既然需要发送数据流，那每一位都是什么意思？谁先发谁后发？该如何编码和解析数据？这是第二章 CAN 总线帧格式所要规定的内容。