CAN（控制器局域網(wǎng)）是一種串行通信協(xié)議，最初由博世公司（Bosch）在1980年代為汽車電子系統(tǒng)開發(fā)，用于連接汽車的各個微控制器和設(shè)備，提供可靠的、實時的數(shù)據(jù)交換。由于其高可靠性、抗干擾能力強和支持多節(jié)點通信的特點，CAN協(xié)議被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等多個領(lǐng)域。

CAN建立在基于信息導(dǎo)向傳輸協(xié)定的廣播機制上。其根據(jù)信息的內(nèi)容，利用信息標志符（每個標志符在整個網(wǎng)絡(luò)中獨一無二）來定義內(nèi)容和消息的優(yōu)先順序進行傳遞，而并非指派特定站點地址的方式。

因此，CAN擁有了良好的彈性調(diào)整能力，可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點而不用在軟、硬件上做出調(diào)整。除此之外，消息的傳遞不基于特殊種類的節(jié)點，增加了升級網(wǎng)絡(luò)的便利性。

CAN協(xié)議的原理

CAN協(xié)議是一種基于總線拓撲的多主總線通信協(xié)議，允許多個設(shè)備（節(jié)點）通過共享的一條通信線路進行數(shù)據(jù)交換。其關(guān)鍵原理包括：

1. 差分信號傳輸：CAN使用兩條信號線（CAN_H和CAN_L）來傳輸差分信號。這種傳輸方式大大增強了抗干擾能力。

2. 多主通信：CAN總線上所有節(jié)點可以主動發(fā)送數(shù)據(jù)，并且沒有主從之分。多個節(jié)點可共享同一總線，但只有優(yōu)先級最高的消息可以在總線忙時發(fā)送，避免沖突。

3. 無沖突仲裁機制：CAN使用位級仲裁機制，即當多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級較高的節(jié)點（ID較低的消息）優(yōu)先發(fā)送，而低優(yōu)先級的節(jié)點會自動停止發(fā)送，等待下一次傳輸機會。這樣避免了數(shù)據(jù)沖突。

4. 錯誤檢測與恢復(fù)：CAN協(xié)議內(nèi)置多種錯誤檢測機制，如位錯誤、幀錯誤、CRC校驗等，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。當檢測到錯誤時，節(jié)點可自動恢復(fù)并重發(fā)數(shù)據(jù)。

CAN協(xié)議的架構(gòu)

CAN是一個用于連接電子控制單元（ECU）的多主機串行總線標準。電子控制單元有時也被稱作節(jié)點。CAN網(wǎng)絡(luò)上需要至少兩個節(jié)點才可進行通信。節(jié)點的復(fù)雜程度可以只是簡單的輸入輸出設(shè)備，也可以是包含有CAN交互器并搭載了軟件的嵌入式組件。節(jié)點還可能是一個網(wǎng)關(guān)，允許普通計算機通過USB或以太網(wǎng)端口與CAN網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備通信。

所有節(jié)點通過兩根平行的總線連接在一起。兩條電線組成一條雙絞線，并且接有120Ω的特性阻抗。

ISO 11898-2，也稱為高速度CAN。它在總線的兩端均接有120Ω電阻。

高速CAN總線在傳輸顯性（0）信號時，會將CAN_H端抬向5V高電平，將CAN_L拉向0V低電平。當傳輸隱性（1)信號時，并不會驅(qū)動CAN_H或者CAN_L端。 顯性信號CAN_H和CAN_L兩端差分標稱電壓為2V。 終端電阻在沒有驅(qū)動時，將差分標稱電壓降回0V。顯性信號（0）的共模電壓需要在1.5V到3.5V之間。隱性信號（1）的共模電壓需要在+/-12V。

ISO 11898-3，也被稱作低速或者容錯CAN。它使用線性主線，星形主線或者連接到一個線性主線上的多星結(jié)構(gòu)主線著稱。每個節(jié)點都有終端電阻作為全局終端電阻的一部分。全局終端電阻不應(yīng)低于100 Ω。

低速/容錯CAN信號在傳輸顯性信號（0）時，驅(qū)動CANH端抬向5V，將CANL端降向0V。在傳輸隱性信號（1）時并不驅(qū)動CAN 總線的任何一端。在電源電壓Vcc為5V時，顯性信號差分電壓需要大于2.3V，隱性信號的差分電壓需要小于0.6V。CAN總線兩端未被驅(qū)動時，終端電阻使CANL端回歸到RTH電壓（當電源電壓Vcc為5V時，RTH電壓至少為Vcc-0.3V=4.7V），同時使CANH端回歸至RTL電壓（RTL電壓最大為0.3V）。兩根線需要能夠承受-27V至40V的電壓而不被損壞。

在高速和低速CAN中,從隱性信號向顯性信號過渡的速度更快，因為此時CAN線纜被主動積極地驅(qū)動。顯性向隱性的過渡速度主要取決于CAN網(wǎng)絡(luò)的長度和導(dǎo)線的電容。

高速CAN通常被用于汽車和工業(yè)應(yīng)用，在這些應(yīng)用環(huán)境中，總線通常從一端橫跨至另一端。容錯CAN總線則經(jīng)常被用在需要連接在一起的一組節(jié)點。

ISO規(guī)格只要求總線共模電壓必須保持在最小和最大范圍內(nèi)，但不定義如何將總線電壓保持在這個范圍。

CAN總線必須使用終端電阻。終端電阻可以用來抑制信號反射，同時可以使總線電壓回到隱性狀態(tài)或者閑置狀態(tài)。

高速CAN在總線兩端使用120Ω電阻。低速CAN在每個節(jié)點均使用電阻。也有其他類型的終端，例如ISO 11783中定義了終端偏壓電路。 

終端偏壓電路使用由4條導(dǎo)線組成的線纜，除了CAN信號線以外還有電源線和地線。這在每段總線兩端提供自動偏壓和終端功能。ISO11783網(wǎng)絡(luò)是專為熱拔插總線段和電子控制單元設(shè)計的。

每個節(jié)點需要:

• 中央處理器、微處理器或主處理器
  • 處理主機決定收到的信息的意思以及想要傳輸?shù)男畔ⅰ?/span>
  • 傳感器、驅(qū)動器和控制設(shè)備可以與主處理器連接。
• CAN控制器；通常是集成單片機的一部分
  • 接收：CAN控制器將從總線上接收的串位字節(jié)存儲直到整個消息可用，之后主處理器可以獲取這個消息（通常由于CAN控制器觸發(fā)一個中斷）。
  • 發(fā)送：主處理器發(fā)送傳遞信息到CAN控制器，之后當總線空閑時將串位信息傳遞至總線。
• 收發(fā)器；由ISO11898-2/3介質(zhì)訪問單元（MAU）標準定義
  • 接收：把數(shù)據(jù)流從CAN總線層轉(zhuǎn)換成CAN控制器可以使用的標準。 CAN控制器通常配有保護電路。
  • 傳輸：把來自CAN控制器的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換至CAN總線層。

每個節(jié)點能夠發(fā)送和接收信息，但不是同時進行的。 一個消息或幀主要包括標識符(ID)，它表示信息的優(yōu)先級，最多八個數(shù)據(jù)字節(jié)。CRC、ACK和其他幀部分也是消息的一部分。改進了的CAN FD將每個幀拓展至最多64字節(jié)。 消息采用不歸零(NRZ)格式串聯(lián)傳送到主線并可被所有節(jié)點接收。

被CAN網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備通常是傳感器，驅(qū)動器和其他控制設(shè)備。 這些設(shè)備通過一個中央處理器、一個CAN控制器，和一個CAN接收器連接至總線。

CAN協(xié)議由物理層和數(shù)據(jù)鏈路層組成，符合OSI模型的底層兩層設(shè)計：

1. 物理層：物理層定義了信號傳輸?shù)碾姎馓匦院途€路配置，規(guī)定了節(jié)點通過差分電壓來傳輸數(shù)據(jù)的方式。典型的CAN總線由兩條線組成：CAN_H和CAN_L，通過兩者的電壓差來判斷是邏輯0（顯性位）還是邏輯1（隱性位）。

2. 數(shù)據(jù)鏈路層：包括數(shù)據(jù)幀格式、仲裁方法、錯誤處理等，確保不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。CAN協(xié)議支持以下幾種幀類型：

   • 數(shù)據(jù)幀：實際傳輸數(shù)據(jù)的幀。
   • 遠程幀：用于請求發(fā)送特定ID的數(shù)據(jù)幀。
   • 錯誤幀：當檢測到錯誤時發(fā)送的幀。
   • 過載幀：用于指示節(jié)點忙碌無法處理新的數(shù)據(jù)幀。

   每個數(shù)據(jù)幀主要包括標識符（決定優(yōu)先級）、控制字段、數(shù)據(jù)字段（最大8字節(jié)）、CRC校驗字段和確認字段。

CAN協(xié)議的應(yīng)用

1. 汽車電子：CAN協(xié)議是現(xiàn)代汽車中最常用的通信協(xié)議，用于連接發(fā)動機控制單元（ECU）、傳感器、制動系統(tǒng)、安全氣囊、車載娛樂系統(tǒng)等。它可以實現(xiàn)車輛內(nèi)多個控制器之間的實時、高效數(shù)據(jù)傳輸。

2. 工業(yè)自動化：在工業(yè)領(lǐng)域，CAN常用于傳感器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)的連接，例如機器人控制、工廠自動化設(shè)備等，能確保數(shù)據(jù)可靠傳輸和實時反饋。

3. 醫(yī)療設(shè)備：CAN被應(yīng)用于病床監(jiān)控系統(tǒng)、手術(shù)設(shè)備、CT掃描儀等設(shè)備的內(nèi)部通信，確保系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。

4. 礦業(yè)與重型機械：CAN廣泛用于重型設(shè)備如礦用車輛和機械設(shè)備的控制與監(jiān)測。其抗干擾能力使其適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境下運行，能確保設(shè)備的安全操作。

5. 航空與航天：CAN被用作飛機和衛(wèi)星內(nèi)各個模塊的通信協(xié)議，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)同步控制和實時數(shù)據(jù)交換。