【通信协议】CAN总线通信协议的学习（一）基础理论知识学习

news2025/1/12 19:39:23

1、CAN基本概念

1.0、基本概念

1.1、与其他通信协议的区别

1.2、CAN硬件电路

1.3、CAN总线电平信号

1.4、CAN的差分信号

1.5、CAN总线工作原理

1.6、CAN协议物理层

2、数据帧结构

3、CAN参数配置，波特率计算

1、CAN基本概念

CAN：controller area network ，是控制器局域网的简称，在汽车领域和工业控制领域应用比较广泛。

参考：[1-2] 帧格式_哔哩哔哩_bilibili

1.0、基本概念

CAN通信是异步、半双工、多主机串行通信。

异步通讯：无需时钟线，只具有 CAN_High 和 CAN_Low 两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。

半双工：can协议上只有一对差分信号，一个时刻只能表示一个信号，所以收发数据需要分时进行。

多主机：在can总线上可以挂载多个控制器设备节点，相互之间可以通信

串行通信：是只有一对差分信号，只能一个接着一个发送数据。

如下图，为can总线上挂载多个设备的图，以及can总线需通过can收发器与其他设备进行通信的图。

每个主控设备都需要通过一个CAN收发器接入到CAN总线

CAN收发器：实现电平转换，输出驱动，输入采用的功能

1.1、与其他通信协议的区别

1.2、CAN硬件电路

主控设备引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的CAN H和CANL分别与总线的CAN H和CANL相连

CAN硬件电路分为

高速CAN闭环总线网络：终端电阻为120欧姆

低速CAN开环总线网络：终端电阻为2.2k欧姆

终端电阻的作用：

1、防止回波反射，不加终端电阻的话，信号会在线路终端发射，进而干扰原始信号

2、收紧两根信号线的电压，使其电压一致。

1.3、CAN总线电平信号

can通信上有两根差分信号线：分别表示为CAN高和CAN低

根据ISO11898标准

CAN高的电压为2.5V和3.5V；CAN低的电压为2.5V和1.5V；

逻辑1的表示为：CAN高和CAN低上的电压为2.5V，两者差值为0V

逻辑0的表示为：CAN高上的电压为3.5V和CAN低上的电压为1.5V，两者差值为2V

电平标准，高速与低速CAN的标准：

默认状态是逻辑1，两根信号的电压都是一样的，收紧状态。

隐性电平：1；

显性电平：0；

1.4、CAN的差分信号

CAN通信的一大特点就是使用差分信号进行传输数据，

差分信号在数据传输过程中有较强的抗干扰能力，当外部有干扰时，电压会发送突变，但由于采用的是差分信号，CAN高和CAN低两根数据线会同时发生突变，而两数据线之间的差值还是保持不变，逻辑1和逻辑0的状态不会改变，所以有较强的抗干扰能力。

1.5、CAN总线工作原理

can总线通信过程被分为四个阶段：

1、发送报文：每个节点都可以在总线上发送报文。在发送前，节点需要判断总线是否空闲。

2、仲裁机制：如果多个节点同时发送报文，总线会判断那个节点优先发送报文，是根据报文的标识符ID，ID越小优先级越高。

3、数据传输：优先级最高的报文在总线上传输，其他节点，暂停发送并等待下一次总线空闲。

4、错误检测与处理：有错误检测机制，如CRC校验/帧校验/应答错误等。若节点检测到错误都会终端传输，并重发报文。

1.6、CAN协议物理层

can通信在物理层上有两个标准，ISO11898高速模式和ISO11519-2低速模式，

我个人比较常接触的到的ISO11898模式的，是高速短距离的闭环总线网络，通信速度最高1Mbps，总线最长为40m，最大连接单元30个，终端电阻为120欧姆

而ISO11519-2标准，则是低速远距离的开环总线网络，通信速度最高位125kbps，总线最长1km，可连接数量最大为20个，终端电阻为2.2K欧姆

具体区别为如下图所示。

2、数据帧结构

CAN通信的数据帧结构分为7个段：

帧起始（SOF）：标志着一个数据帧的开始，由一个显性位（逻辑 0）组成。
仲裁场：用于确定数据帧的优先级。包含标识符（ID）和远程传输请求位（RTR）。标识符的值越小，优先级越高。当多个节点同时发送数据时，优先级高的节点会赢得总线的控制权。
控制场：包含数据长度代码（DLC）等信息，指示数据场中实际的数据字节数。
数据场：包含实际要传输的数据内容，可以是 0 到 8 个字节。
CRC 场：循环冗余校验码，用于检测数据传输过程中的错误。接收方会根据接收到的数据重新计算 CRC 值，并与接收到的 CRC 值进行比较，如果不一致，则说明数据传输出现错误。
ACK 场：确认位，由接收方在正确接收到数据帧后发送一个显性位进行确认。
帧结束（EOF）：标志着数据帧的结束，由 7 个隐性位（逻辑 1）组成。