CAN

一、介绍

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种广泛应用于汽车、工业自动化、船舶、医疗设备等领域的串行通信协议。它具有高可靠性、实时性强、抗干扰能力好等优点，能够在多个设备之间进行高效的数据通信。

二、发展历史

CAN最初是由德国博世公司（Bosch）在20世纪80年代初为汽车电子控制系统开发的。当时，随着汽车电子设备的不断增加，传统的点对点通信方式已经无法满足需求，需要一种能够实现多节点通信的可靠协议。1986年，博世公司在SAE（汽车工程师协会）大会上正式发布了CAN协议。

1991年，博世公司发布了CAN 2.0协议规范，该规范分为CAN 2.0A（标准帧）和CAN 2.0B（扩展帧）两个部分，进一步完善了CAN协议。之后，国际标准化组织（ISO）在CAN 2.0的基础上制定了ISO 11898和ISO 11519两个国际标准，使得CAN协议得到了更广泛的应用和推广。

三、技术原理

（一）物理层

CAN的物理层规定了通信线路的电气特性、信号传输方式等。常见的CAN物理层采用差分信号传输，使用两条线：CAN_H和CAN_L。当CAN_H的电压比CAN_L高时，表示逻辑“0”（显性位）；当CAN_H和CAN_L的电压差较小时，表示逻辑“1”（隐性位）。

这种差分信号传输方式具有很强的抗干扰能力，能够在恶劣的电磁环境中可靠地传输数据。CAN网络可以采用总线拓扑结构，多个节点通过CAN收发器连接到总线上。

（二）数据链路层

CAN的数据链路层负责数据的成帧、错误检测、仲裁等功能。

1. 数据帧格式

CAN数据帧主要分为标准帧和扩展帧。标准帧的标识符（ID）为11位，扩展帧的标识符为29位。数据帧由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束等部分组成。

• 帧起始：标志着一个数据帧的开始，为一个显性位。
• 仲裁场：包含标识符和远程发送请求位，用于仲裁多个节点同时发送数据时的优先级。
• 控制场：包含数据长度码等信息，指示数据场的长度。
• 数据场：实际要传输的数据，长度可以为0 - 8字节。
• CRC场：用于错误检测，通过循环冗余校验算法计算得出。
• 应答场：用于接收节点确认是否正确接收到数据。
• 帧结束：标志着一个数据帧的结束，为7个隐性位。

2. 仲裁机制

当多个节点同时向总线发送数据时，CAN采用逐位仲裁的方式来确定哪个节点具有更高的优先级。标识符值越小，优先级越高。在仲裁过程中，节点不断监测总线的电平，如果发现自己发送的是隐性位而总线是显性位，则说明有其他优先级更高的节点正在发送数据，该节点将自动退出发送，等待下一次发送机会。

3. 错误处理

CAN协议具有完善的错误处理机制，包括位错误、填充错误、CRC错误等。当检测到错误时，节点会发送错误帧，并采取相应的错误恢复措施，如重发数据等。

四、应用场景

（一）汽车领域

CAN在汽车领域的应用非常广泛，是汽车电子控制系统的核心通信协议。汽车中的发动机控制单元（ECU）、变速器控制单元、制动系统、车身电子系统等多个节点之间通过CAN总线进行数据通信。例如，发动机控制单元可以将发动机的转速、温度等信息通过CAN总线发送给其他节点，实现车辆的整体控制和协调。

（二）工业自动化领域

在工业自动化生产线中，CAN总线可以连接各种传感器、执行器、控制器等设备，实现设备之间的数据交换和协同工作。例如，在机器人控制系统中，通过CAN总线可以将机器人的位置、速度等信息实时传输给控制器，从而实现精确的运动控制。

（三）船舶领域

船舶上有大量的电子设备，如导航系统、动力控制系统、监测系统等。CAN总线可以用于这些设备之间的通信，提高船舶的自动化程度和可靠性。

（四）医疗设备领域

一些医疗设备，如监护仪、输液泵等，也可以采用CAN总线进行通信。通过CAN总线，不同的医疗设备可以共享患者的生理数据，实现多参数的综合监测和控制。