CAN总线协议

CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于汽车、工业自动化等领域的串行通信协议，由德国Bosch公司在1980年代开发，主要用于实时、可靠的数据传输。以下是其核心要点：

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1. 基本特性

• 多主通信：所有节点均可主动发送消息，通过仲裁机制避免冲突。
• 差分信号：使用CAN_H和CAN_L双线传输，抗干扰能力强。
• 实时性：基于优先级（ID决定）的非破坏性仲裁，高优先级消息优先发送。
• 速率：
  • 标准CAN（CAN 2.0A/B）：最高1 Mbps（短距离），常见125 kbps~500 kbps。
  • CAN FD（灵活数据速率）：提升至5 Mbps以上，数据段可变长度。

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2. 帧类型

• 数据帧：携带实际数据，结构如下：

  • 仲裁域（ID）：11位（标准帧）或29位（扩展帧），决定优先级。
  • 控制域：数据长度（DLC，0~8字节，CAN FD可达64字节）。
  • 数据域：实际传输的数据。
  • CRC域：校验数据完整性。
  • ACK域：接收节点确认。

• 远程帧：请求发送特定ID的数据（无数据域）。

• 错误帧：通知总线错误。

• 过载帧：延迟下一帧传输。

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3. 仲裁机制

• 非破坏性逐位仲裁：发送时同时监听总线，若ID位为隐性（1）但检测到显性（0），则退出仲裁。ID值越小，优先级越高。

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4. 错误处理

• 5种错误检测：
  • CRC错误、格式错误、应答错误、位错误、填充错误（每5个相同位插入相反位）。
• 错误状态：节点根据错误计数进入“主动错误”、“被动错误”或“总线关闭”状态。

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5. 物理层

• 终端电阻：总线两端需接120Ω电阻匹配阻抗。
• 电平：
  • 显性电平（0）：CAN_H ≈ 3.5V，CAN_L ≈ 1.5V。
  • 隐性电平（1）：CAN_H = CAN_L ≈ 2.5V。

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6. 应用场景

• 汽车电子：ECU（发动机控制单元）、传感器、仪表通信。
• 工业控制：PLC、机器人、传感器网络。
• 医疗设备：高可靠性要求的设备间通信。

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7. CAN变种

• CAN FD：提升数据段速率和长度（兼容经典CAN）。
• CAN XL：更高带宽（10+ Mbps），支持更大数据包（仍在发展中）。

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8. 协议栈

• 底层：物理层（ISO 11898）、数据链路层（CAN控制器）。
• 上层协议：
  • CANopen：工业自动化常用。
  • J1939：商用车标准（基于29位ID）。

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示例代码（Arduino + CAN）

#include <CAN.h>
void setup() {
  CAN.begin(500E3); // 初始化500 kbps
}

void loop() {
  CAN.beginPacket(0x12); // 标准帧ID=0x12
  CAN.write('A');        // 发送1字节数据
  CAN.endPacket();
  delay(1000);
}

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关键优势

• 可靠性：错误检测与重发机制。
• 灵活性：支持多节点、动态增减设备。
• 成本低：简化布线，适合复杂系统。

适用于需要高实时性和抗干扰能力的分布式控制系统。