据说是一晚上能给女朋友讲清楚的汽车CAN总线介绍

1、 什么是CAN?

CAN是Controller Area Network缩写，中文名称控制器局域网络。从名称就可以看出来，CAN是一种控制器之间通讯的现场总线。CAN总线最早应用于汽车工业，由德国BOSCH提出。由于消费者对汽车功能需求的不断增加，汽车中电子器件不断增加，造成各控制器之间通讯信号接线方式复杂，因此设计了一个单一的网络总线，整车的所有控制器都可以挂在这个网络上。

2、 CAN总线物理层

下图为比较典型的网络拓扑

CAN总线的物理层传输介质可以为双绞线、光纤、同轴电缆等。主机厂一般使用双绞线，在双绞线上传输的信号形式为差分信号，差分信号即大小相等跳变方向相反的信号。差分信号的主要优点为传输稳定，抗干扰能力强。因为两条信号线一同走线，干扰一般会同时等值的加到两条线上，到了接收端进行差分运算时就可以消除干扰影响。

双绞线的一般要求：

A、 阻抗：120Ω，5ns/m延时；

B、 绞距：1m 33绞至50绞；

C、 线经：0.35mm²至0.5mm²

与光从一种介质进入另一种介质会发生反射类似，对于高频信号，当阻抗不连续时，会引发信号的反射，反射波会干扰原信号，为了消除这种反射会在网络的终端增加一颗与线束阻抗相同的电阻，另因为信号的传递是双向的，因此在另一端也需增加电阻。终端电阻阻值一般选用120Ω。

3、CAN总线工作原理

CAN总线的两条信号线分别为CAN_H及CAN_L。总线当传输数据时，隐性电平（逻辑1）CAN_H及CAN_L电压均为2.5V，电压差为0V；显性电平（逻辑0）CAN_H为3.5V，CAN_L为1.5V，电压差为2V；

0和1的不同组合就组成了CAN总线中的一条条报文，对于报文帧的格式主要有两种：标准帧与数据帧，两种形式之间的区别如下图所示：标准帧的仲裁域有11位，扩展帧的仲裁域有29位。扩展帧能够扩展更多节点，与标准帧主要区别是ID的数据。扩展帧主要应用于卡车、工程车、商务车，乘用车一般使用标准帧。

对于CAN总线上的各个节点，都是可以向网络上发送报文的，但如果所有节点同时向总线发送报文，就会造成总线混乱。因此CAN总线采用了一种类似“会议”的机制，当两个人同时准备发言的时候，需要先进行比较，优先级高的先说话，优先级低的等会再说。确保在同一个时间段只有一个节点发送报文，其他节点根据需要选择性接收报文。关系如下：

比较报文“优先级”高低使用的就是每帧报文中仲裁场的ID，对于CAN总线上的节点ID都是唯一的，当进行比较是同一位逻辑0高于逻辑1，两个节点从第一位开始对ID进行比较，第一位相同比较下一位，第一位不同逻辑0的节点胜出开始发送报文，仲裁失败的节点暂停发送报文，等待下一次的总线空闲重新发送，以此类推。

4、对于总线传输速率的思考

CAN总线传输速率与总线长度有关，越长最大传输速率越低。当总线长度为40m时，最大传输速率为1Mbit/s；总线长度为1Km时，最大传输速率为50Kbit/s。

CAN总线采用应答机制，一个节点的一帧报文在接近发送完成的时候会有个应答场（ACK场），ACK场由两位逻辑1组成，在ACK场的ACK区域，收到此条报文的节点会在此时发送逻辑0，逻辑0（显性电平）会覆盖逻辑1（隐形电平），发送节点检测到逻辑0就知道已经发送成功。

数据在双绞线上传输存在延时，延迟时间为5ns/m（典型值，上文中有提到）。当总线长度为40m，延迟时间40m*5ns/m=200ns，因为信号传输是双向的，发送节点发送信号，接收节点接收到之后发送逻辑0给发送节点，因此线的延时时间为400ns，同时考虑到信号在ECU内部处理存在延时，各ECU晶振的频率存在差异，会造延迟时间＞400ns。延迟的时间就限制了CAN总线的传输速率，总线的长度越长，传输速率越低。

5、报文的发送类形

对于报文的发送类型，一般常用的有：周期型、事件型、混合型

周期型：节点报文按照一定周期发送，当事件变化触发其状态信号变化，发送报文内容发生变化。例如：ECU状态信号

事件性：当某一事件触发，会连续发送1帧或多帧报文。例如：开关信号

混合型：当某一事件触发，其周期发生变化。

6、路由形式

对于同一条CAN网络上的ECU可以彼此接收到对方发出的报文，然而对于不在同一条网络上的ECU，如何实现接收对方发出的报文？这时就需要使用路由实现，路由的方式有两种基本形式：报文路由、信号路由

报文路由：把一条报文完整的从一条网络传输到另一条网络，包括有用的信号和无用的信号。