CAN 总线

一、介绍

CAN 总线，即控制器局域网（Controller Area Network）总线，是一种常用于汽车和工业控制领域的串行通信协议。它是一种多主式的串行通信总线，具有高可靠性、实时性强、抗干扰能力好等特点。CAN 总线允许多个节点在同一总线上进行数据通信，无需主节点的控制，每个节点都可以主动发送数据，这使得它在分布式控制系统中得到了广泛应用。

二、常见分类

高速 CAN 总线

高速 CAN 总线的传输速率较高，一般可以达到 1Mbps，主要应用于对数据传输速度要求较高的场景，如汽车发动机控制、防抱死制动系统（ABS）等。在这些系统中，需要快速准确地传输大量的数据，以保证系统的实时性和稳定性。

低速 CAN 总线

低速 CAN 总线的传输速率相对较低，通常在 125kbps 左右。它的优势在于具有较好的容错能力和抗干扰能力，适用于对传输速度要求不高，但对可靠性要求较高的场合，如汽车车身电子系统，包括车门控制、灯光控制等。

三、技术原理

数据传输

CAN 总线采用差分信号进行数据传输，使用两根线（CAN_H 和 CAN_L）来传输信号。当 CAN_H 线上的电压高于 CAN_L 线上的电压时，表示逻辑“0”，也称为显性位；当 CAN_H 和 CAN_L 线上的电压差为 0 时，表示逻辑“1”，也称为隐性位。这种差分信号传输方式可以有效地抵抗外界干扰。

仲裁机制

由于 CAN 总线是多主式总线，多个节点可能会同时尝试发送数据。为了避免数据冲突，CAN 总线采用了非破坏性位仲裁机制。每个节点在发送数据时，会先发送一个标识符（ID），ID 越小的节点优先级越高。在发送过程中，节点会不断监听总线，如果发现自己发送的位与总线上的位不一致，说明有更高优先级的节点在发送数据，此时该节点会自动停止发送，等待下一次发送机会。

错误检测与处理

CAN 总线具备完善的错误检测机制，包括位错误、填充错误、CRC 错误等。当节点检测到错误时，会发送错误帧通知其他节点。根据错误的严重程度，节点会进入不同的错误状态，如错误主动状态、错误被动状态和总线关闭状态，以确保系统的可靠性。

四、发展历史

起源

CAN 总线最早由德国博世公司（Bosch）在 20 世纪 80 年代初为汽车应用而开发。当时，随着汽车电子技术的发展，汽车内部需要连接越来越多的电子控制单元（ECU），传统的点对点通信方式已经无法满足需求。为了解决这个问题，博世公司提出了 CAN 总线协议。

标准化

1991 年，博世公司发布了 CAN 2.0 协议，该协议成为了 CAN 总线的国际标准。此后，国际标准化组织（ISO）在 CAN 2.0 协议的基础上制定了 ISO 11898 和 ISO 11519 两个标准，分别对应高速 CAN 总线和低速 CAN 总线，进一步推动了 CAN 总线的广泛应用。

发展与应用拓展

随着技术的不断发展，CAN 总线的应用范围逐渐从汽车领域扩展到工业自动化、航空航天、船舶等多个领域。同时，为了满足更高的应用需求，一些基于 CAN 总线的扩展协议也相继出现，如 CANopen、DeviceNet 等。

五、应用场景

汽车领域

• 动力系统：CAN 总线用于连接发动机控制单元、变速器控制单元等，实现发动机的喷油控制、点火控制以及变速器的换挡控制等功能，确保动力系统的高效运行。
• 安全系统：在防抱死制动系统（ABS）、电子稳定程序（ESP）等安全系统中，CAN 总线能够快速准确地传输传感器数据和控制指令，保证车辆在紧急情况下的安全性能。
• 车身电子系统：用于控制车门的开关、车窗的升降、灯光的亮灭等功能，提高了汽车的舒适性和便利性。

工业自动化领域

• 工厂自动化生产线：CAN 总线可以连接各种工业设备，如机器人、传感器、执行器等，实现设备之间的通信和协同工作，提高生产效率和质量。
• 楼宇自动化：在智能建筑中，CAN 总线可用于控制空调系统、照明系统、电梯等设备，实现建筑物的自动化管理和节能控制。

航空航天领域

在飞机和航天器中，CAN 总线可以用于连接各种电子设备，如飞行控制系统、导航系统、发动机监测系统等，确保设备之间的可靠通信和数据传输，保障飞行安全。