全面解析CAN 總線協議技術

CAN 是控制器局域網絡 (Controller Area Network) 的簡稱，它是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國 BOSCH 公司開發的，并最終成為國際標準(ISO11519以及ISO11898),是國際上應用最廣泛的現場總線之一。差異點如下：

CAN 總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN 為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的 J1939 協議。近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業環境。我們來貼圖一個車載網絡構想圖

1.2 CAN 物理層與 I2C、SPI 等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN 通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條信號線，共同構成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。我們來看一個示意圖

1.2.1 閉環總線網絡CAN 物理層的形式主要有兩種，圖中的 CAN 通訊網絡是一種遵循 ISO11898 標準的高速、短距離“閉環網絡”，它的總線最大長度為 40m，通信速度最高為 1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120 歐”的電阻。

1.2.2 開環總線網絡圖中的是遵循 ISO11519-2 標準的低速、遠距離“開環網絡”，它的最大傳輸距離為 1km，最高通訊速率為 125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環，要求每根總線上各串聯有一個“2.2千歐”的電阻。

?1.2.3 通訊節點從 CAN 通訊網絡圖可了解到，CAN 總線上可以掛載多個通訊節點，節點之間的信號經過總線傳輸，實現節點間通訊。由于 CAN 通訊協議不對節點進行地址編碼，而是對數據內容進行編碼的，所以網絡中的節點個數理論上不受限制，只要總線的負載足夠即可，可以通過中繼器增強負載。CAN 通訊節點由一個 CAN 控制器及 CAN 收發器組成，控制器與收發器之間通過 CAN_Tx 及CAN_Rx 信號線相連，收發器與 CAN 總線之間使用 CAN_High 及 CAN_Low 信號線相連。其中CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的類似 TTL 邏輯信號，而 CAN_High 及 CAN_Low 是一對差分信號線，使用比較特別的差分信號，下一小節再詳細說明。當 CAN 節點需要發送數據時，控制器把要發送的二進制編碼通過 CAN_Tx 線發送到收發器，然后由收發器把這個普通的邏輯電平信號轉化成差分信號，通過差分線 CAN_High 和 CAN_Low 線輸出到 CAN 總線網絡。而通過收發器接收總線上的數據到控制器時，則是相反的過程，收發器把總線上收到的 CAN_High 及 CAN_Low 信號轉化成普通的邏輯電平信號，通過 CAN_Rx 輸出到控制器中。例如，STM32 的 CAN 片上外設就是通訊節點中的控制器，為了構成完整的節點，還要給它外接一個收發器，在我們實驗板中使用型號為 TJA1050 的芯片作為 CAN 收發器。CAN 控制器與 CAN收發器的關系如同 TTL 串口與 MAX3232 電平轉換芯片的關系， MAX3232 芯片把 TTL 電平的串口信號轉換成 RS-232 電平的串口信號，CAN 收發器的作用則是把 CAN 控制器的 TTL 電平信號轉換成差分信號 (或者相反) 。目前有以下CAN電平轉換芯片（不全）

我們來用TJA1050來看下原理圖：

1.2.4 差分信號差分信號又稱差模信號，與傳統使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯 0 和邏輯 1。見圖，它使用了 V+ 與 V-信號的差值表達出了圖下方的信號。

相對于單信號線傳輸的方式，使用差分信號傳輸具有如下優點：? 抗干擾能力強，當外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。舉一個例子，正常的單線假設邏輯1是3.3V，邏輯0假設是0V，但是如果有噪聲，把3.3V弄成了0V(極端)，把0V弄成了-3.3V，此時就邏輯錯誤，但是有Can高/Can低一般都作用于兩根線，所以兩個雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的? 能有效抑制它對外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。舉一個例子，假設一根是10V，一根是-10V，單跟都會對外部造成電磁干擾，但是CAN可以把線擰在一起，跟編麻花一樣，可以互相抵消電子干擾? 時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。由于差分信號線具有這些優點，所以在 USB 協議、485 協議、以太網協議及 CAN 協議的物理層中，都使用了差分信號傳輸。1.2.5 CAN 協議中的差分信號CAN 協議中對它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分信號做了規定，見表及圖。以高速 CAN 協議為例，當表示邏輯 1 時 (隱性電平) ，CAN_High 和 CAN_Low 線上的電壓均為 2.5v，即它們的電壓差 VH-VL=0V；而表示邏輯 0 時 (顯性電平) ，CAN_High 的電平為 3.5V，CAN_Low 線的電平為 1.5V，即它們的電壓差為 VH-VL=2V。例如，當 CAN收發器從 CAN_Tx 線接收到來自 CAN 控制器的低電平信號時 (邏輯 0)，它會使 CAN_High 輸出3.5V，同時 CAN_Low 輸出 1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯 0 。

在 CAN 總線中，必須使它處于隱性電平 (邏輯 1) 或顯性電平 (邏輯 0) 中的其中一個狀態。假如有兩個 CAN 通訊節點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似 I2C 總線的“線與”特性將使它處于顯性電平狀態，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優先的意味。由于 CAN 總線協議的物理層只有 1 對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節點來說，CAN 通訊是半雙工的，收發數據需要分時進行。在 CAN 的通訊網絡中，因為共用總線，在整個網絡中同一時刻只能有一個通訊節點發送信號，其余的節點在該時刻都只能接收。1.3 CAN 協議層1.3.1 CAN 的波特率及位同步由于 CAN 屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網絡中的各個節點會像串口異步通訊那樣，節點間使用約定好的波特率進行通訊，特別地， CAN 還會使用“位同步”的方式來抗干擾、吸收誤差，實現對總線電平信號進行正確的采樣，確保通訊正常。1.3.2 位時序分解為了實現位同步，CAN 協議把每一個數據位的時序分解成如圖所示的 SS 段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，這四段的長度加起來即為一個 CAN 數據位的長度。分解后最小的時間單位是 Tq，而一個完整的位由 8~25 個 Tq 組成。為方便表示，圖中的高低電平直接代表信號邏輯 0 或邏輯 1(不是差分信號)。

該圖中表示的 CAN 通訊信號每一個數據位的長度為 19Tq，其中 SS 段占 1Tq， PTS 段占 6Tq， PBS1段占 5Tq， PBS2 段占 7Tq。信號的采樣點位于 PBS1 段與 PBS2 段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進行偏移，以便準確地采樣。各段的作用如介紹下：? SS 段 (SYNC SEG)SS 譯為同步段，若通訊節點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在 SS 段的范圍之內，則表示節點與總線的時序是同步的，當節點與總線同步時，采樣點采集到的總線電平即可被確定為該位的電平。SS 段的大小固定為 1Tq。? PTS 段 (PROP SEG)PTS 譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。PTS 段的大小可以為 1~8Tq。? PBS1 段 (PHASE SEG1)，PBS1 譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1 段的初始大小可以為 1~8Tq。? PBS2 段 (PHASE SEG2)PBS2 這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2 段的初始大小可以為 2~8Tq。1.3.3 通訊的波特率總線上的各個通訊節點只要約定好 1 個 Tq 的時間長度以及每一個數據位占據多少個 Tq，就可以確定 CAN 通訊的波特率。例如，假設上圖中的 1Tq=1us，而每個數據位由 19 個 Tq 組成，則傳輸一位數據需要時間 T1bit=19us，從而每秒可以傳輸的數據位個數為：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)這個每秒可傳輸的數據位的個數即為通訊中的波特率。1.3.4 同步過程分析波特率只是約定了每個數據位的長度，數據同步還涉及到相位的細節，這個時候就需要用到數據位內的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根據對段的應用方式差異， CAN 的數據同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當存在“幀起始信號”時起作用，無法確保后續一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下：(1) 硬同步若某個 CAN 節點通過總線發送數據時，它會發送一個表示通訊起始的信號 (即下一小節介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到 CAN 總線上的通訊節點在不發送數據時，會時刻檢測總線上的信號。見圖，可以看到當總線出現幀起始信號時，某節點檢測到總線的幀起始信號不在節點內部時序的 SS 段范圍，所以判斷它自己的內部時序與總線不同步，因而這個狀態的采樣點采集得的數據是不正確的。所以節點以硬同步的方式調整，把自己的位時序中的 SS 段平移至總線出現下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點就可以采集得正確數據了。

?(2) 重新同步前面的硬同步只是當存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數據內，節點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數據位的高至低電平的跳變沿來同步 (幀起始信號是特殊的跳變沿)。重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用 SS 段來進行檢測，同步的目的都是使節點內的 SS 段把跳變沿包含起來。重新同步的方式分為超前和滯后兩種情況，以總線跳變沿與 SS 段的相對位置進行區分。第一種相位超前的情況如圖，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內部的時序比總線的時序相對超前 2Tq，這時控制器在下一個位時序中的 PBS1 段增加 2Tq 的時間長度，使得節點與總線時序重新同步。

?第二種相位滯后的情況如圖，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后 2Tq，這時控制器在前一個位時序中的 PBS2 段減少 2Tq 的時間長度，獲得同步。

在重新同步的時候，PBS1 和 PBS2 中增加或減少的這段時間長度被定義為“重新同步補償寬度SJW* (reSynchronization Jump Width)”。一般來說 CAN 控制器會限定 SJW 的最大值，如限定了最大 SJW=3Tq 時，單次同步調整的時候不能增加或減少超過 3Tq 的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調整來實現同步。當控制器設置的 SJW 極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降1.3.5 CAN 的報文種類及結構在 SPI 通訊中，片選、時鐘信號、數據輸入及數據輸出這 4 個信號都有單獨的信號線，I2C 協議包含有時鐘信號及數據信號 2 條信號線，異步串口包含接收與發送 2 條信號線，這些協議包含的信號都比 CAN 協議要豐富，它們能輕易進行數據同步或區分數據傳輸方向。而 CAN 使用的是兩條差分信號線，只能表達一個信號，簡潔的物理層決定了 CAN 必然要配上一套更復雜的協議，如何用一個信號通道實現同樣、甚至更強大的功能呢？CAN 協議給出的解決方案是對數據、操作命令 (如讀/寫) 以及同步信號進行打包，打包后的這些內容稱為報文。1.3.5.1 報文的種類在原始數據段的前面加上傳輸起始標簽、片選 (識別) 標簽和控制標簽，在數據的尾段加上 CRC校驗標簽、應答標簽和傳輸結束標簽，把這些內容按特定的格式打包好，就可以用一個通道表達各種信號了，各種各樣的標簽就如同 SPI 中各種通道上的信號，起到了協同傳輸的作用。當整個數據包被傳輸到其它設備時，只要這些設備按格式去解讀，就能還原出原始數據，這樣的報文就被稱為 CAN 的“數據幀”。為了更有效地控制通訊，CAN 一共規定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如表

1.3.5.2 數據幀的結構數據幀是在 CAN 通訊中最主要、最復雜的報文，我們來了解它的結構，見圖

數據幀以一個顯性位 (邏輯 0) 開始，以 7 個連續的隱性位 (邏輯 1) 結束，在它們之間，分別有仲裁段、控制段、數據段、CRC 段和 ACK 段。2.1 CAN 控制內核框圖中標號處的 CAN 控制內核包含了各種控制寄存器及狀態寄存器，我們主要講解其中的主控制寄存器 CAN_MCR 及位時序寄存器 CAN_BTR。2.1.1 主控制寄存器 CAN_MCR主控制寄存器 CAN_MCR 負責管理 CAN 的工作模式，它使用以下寄存器位實現控制。2.1.2 位時序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率

代碼清單 CAN 初始化結構

CAN 發送及接收結構體

CAN 篩選器結構體

編輯：黃飛

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CAN(458646) CAN(458646)
總線(87035) 總線(87035)

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控制器局域網總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。CAN協議由德國的Robert Bos

2012-09-10 09:22:53

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CAN 總線錯誤檢測機制#can總線

CAN 總線

北匯信息POLELINK發布于 2023-05-26 13:54:03

現場總線CAN原理與應用技術（饒運濤_鄒繼軍_鄭勇蕓）

現場總線CAN原理與應用技術，深入介紹CANBUS總線的應用。

2016-01-12 11:28:47

全面解析多點觸控技術

2017-01-14 12:30:41

CAN現場總線系統設計技術第5章

CAN現場總線系統設計技術第5章

2017-02-07 18:09:20

基于雙CAN總線的數字伺服通信協議

基于雙CAN總線的數字伺服通信協議

2017-09-01 14:25:42

CAN總線詳細教程全面詳細深入制_不可錯過

CAN總線詳細教程全面詳細深入制_不可錯過

2017-09-04 08:45:45

CAN總線通信協議的分析和實現 CAN總線通信協議以及其實現方法

CAN總線通信協議的分析和實現 CAN總線通信協議以及其實現方法

2017-09-04 08:45:33

全面解析OSPF路由協議安全性分析

2017-09-07 09:33:08

CAN總線的概念是什么？CAN總線通信有什么解密方法？

CAN（控制器區域網絡）總線是一種在汽車和工業機械中使用的串行協議，允許微控制器相互通訊。該標準最初由 Robert Bosch GmbH 于 1983 年制定。它使用雙絞線上傳輸差分信號，分別為

2018-07-23 12:20:00

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CAN總線定義與CAN協議的基本概念

CAN總線是什么？CAN總線定義是什么？ CAN（Controller Area Network）是ISO國際標準化的串行通信協議。廣泛應用于汽車、船舶等。 CAN控制器通過組成總線

2017-12-27 13:40:07

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CAN總線通信協議分析實現

在各種現場總線中，CAN總線以其結構簡單、應用靈活方便而在工業過程控制和車輛中得到廣泛應用。在CAN的技術規范中，規定了CAN分為數據鏈路層和物理層兩層，用戶在設計通信軟件時，必須先根據需求設計合適

2018-01-08 15:01:02

多路CAN卡的應用及總線協議分析

對比標準的通信七層模型，CAN總線大體可分為物理層、鏈路層、應用層。對鏈路層的解析就能得到節點ID號。

2018-03-02 13:00:00

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一文解讀can總線技術的發展現狀與應用

本文首先介紹了CAN總線技術的優點，其次介紹了CAN總線技術在汽車中的實際應用優勢，最后介紹了CAN總線國內外發展和應用狀況以及CAN總線技術及發展趨勢。

2018-04-25 09:35:44

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在嵌入式網關中CAN總線有什么應用？

嵌入式網絡接口實現兩種網絡的互連。當以太網應用層有數據要發送到CAN節點時，首先將數據發送到網關，由以太網控制器協議轉換模塊解析完整的CAN協議數據包，通過CAN控制器發送到CAN總線。反之

2018-08-24 16:19:10

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CAN總線協議是什么？CAN總線協議有哪些?CAN總線協議知識分析

2018-10-03 19:53:00

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CANOpen系列教程02_ 理解CAN總線協議

CANOpen系列教程02_理解CAN總線協議

2020-03-06 16:17:30

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就瑞典Kvaser的CAN總線通訊協議提出的解決方案

CAN總線網絡測試: --滿足汽車電子產品不同CAN-BUS總線車型協議解析與逆向分析應用汽車教學實訓CAN模擬控制仿真： --CAN-BUS車載網絡/車聯網示教臺/CAN總線教學實訓箱應用汽車電檢測試應用解決方案： --汽車CAN總線組合儀表電檢/汽車IP總成電檢/汽車電子電器電檢臺應用

2020-03-06 14:28:36

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CAN總線協議教程|CAN報文分析

CAN協議教程介紹：CAN總線 CAN總線是廣播類型的總線。這意味著所有節點都可以偵聽到所有傳輸的報文。無法將報文單獨發送給指定節點；所有節點都將始終捕獲所有報文。但是，CAN硬件能夠提供本地過濾

2020-04-03 15:32:22

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解析汽車can總線無法讀取數據情況

現在的汽車一般都采用CAN總線作為標準的通訊總線，我們如果能夠解析出一臺車子的CAN總線數據，就能夠對這臺車子的狀態有一個非常好的了解

2020-08-06 16:23:07

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CAN總線通信協議

CAN總線通信協議詳細如下。

2021-04-19 16:54:38

CAN總線協議及CAN在工業控制中的應用

CAN總線協議及CAN在工業控制中的應用說明。

2021-04-20 11:14:01

CAN總線及應用

以MSCAN08和MSCAN12為示例，講述CAN現場總線，初步掌握CAN總線技術的應用。

2021-04-20 16:12:35

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使用STM32Cube MX為STM32 CAN總線快速配置上手教程_HAL庫_CAN協議_STM32_附波特率計算工具

使用STM32Cube MX為STM32 CAN總線快速上手教程_HAL庫_CAN協議_STM32前言博主也是剛接觸CAN協議的新手，如有不對的地方歡迎交流本文旨在使用STM32Cube MX快速

2021-12-04 17:36:05

CAN總線為什么這么火，CAN總線是什么

），是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。CAN協議用于汽車中各種不同元件之間的通信，用來取代昂貴而笨重的配電線束。CAN協議的使用廣泛這一特點使其很快延伸到自動化控制以及工業領域中。 CAN協議的特性包括完

2022-01-15 17:04:48

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《CAN總線技術與應用系統設計》pdf

《CAN總線技術與應用系統設計》pdf

2022-02-07 18:06:37

DS70000系列數字示波器在CAN-FD協議解碼上的應用

上個月小編攜《汽車CAN-FD總線技術大揭秘》一文帶大家了解了CAN-FD總線的前世今生，從CAN總線發展歷程、總線拓撲圖及OSI協議棧模型等方面，對CAN總線進行了較為全面的講解，同時還介紹了DS70000系列數字示波器在CAN-FD協議解碼上的功能支持。

2022-03-25 15:36:08

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CAN總線入門資料分享

　　本資料是面向CAN總線初學者的CAN入門書。對CAN是什么、CAN的特征、標準規格下的位置分布等、CAN的概要及CAN的協議進行了說明。

2022-04-02 16:35:32

傳統CAN總線與CAN FD幀格式的區別

當汽車工業進入發展階段時，CAN 總線已經開始以其能夠提供的廣泛功能應用于該行業。它在具有以非常合理的成本同時擁有相當多的優秀特性，很快就成為了目前使用的核心通信協議。但是，隨著時間的推移，技術

2022-06-20 17:40:14

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關于CAN總線協議的相關知識介紹

CAN總線協議（Controller Area Network），控制器局域網總線，是德國BOSCH（博世）公司研發的一種串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。

2022-09-09 12:13:42

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一文搞懂CAN總線協議幀格式和CAN FD總線協議幀格式

CAN總線上傳輸的信息稱為報文，當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發送新的報文。

2022-10-17 15:09:49

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CAN總線基礎知識

CAN總線是一種常用的總線，對于剛開始接觸CAN總線的，面對著各式各樣的資料，可能不知道從何看起，今天科普一下CAN總線的基礎知識。CAN2.0協議分為A版本和B版本，A版本協議為11位標識符（標準幀），B版本在兼容11位ID標識符的同時，向上擴展到29位ID標識符。

2023-02-09 15:43:15

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