详解 CAN 协议

CAN 协议概述

CAN（Controller Area Network）是一种广泛应用于汽车、工业控制等领域的串行通信协议，由 Bosch 公司开发。其核心特点是高可靠性、多主结构和实时性，支持差分信号传输以减少电磁干扰。

CAN 协议工作原理

CAN 总线采用差分信号（CAN_H 和 CAN_L）传输数据，逻辑状态分为显性（Dominant，逻辑 0）和隐性（Recessive，逻辑 1）。总线通过“线与”机制实现仲裁，优先级高的报文（ID 值更小）可抢占总线。

帧类型：

• 数据帧：携带实际数据，包含标准帧（11 位 ID）和扩展帧（29 位 ID）。
• 远程帧：请求节点发送数据，无数据字段。
• 错误帧：节点检测错误时主动发送。
• 过载帧：节点请求延迟下一帧传输。

CAN 数据帧结构

标准数据帧格式如下：

1. 仲裁段：11 位 ID + RTR（远程传输请求位）。
2. 控制段：6 位，包含 IDE（标识符扩展位）和数据长度（DLC，0-8 字节）。
3. 数据段：0-8 字节的有效载荷。
4. CRC 段：15 位 CRC 校验 + 定界符。
5. ACK 段：确认位 + 定界符。
6. 帧结束：7 位隐性位。

示例代码（CAN 数据帧解析伪码）：

typedef struct {
    uint32_t id;      // 11 位或 29 位标识符
    uint8_t  dlc;     // 数据长度
    uint8_t  data[8]; // 数据
} CAN_Frame;

CAN 错误处理机制

• 位错误：节点发送的位与总线电平不一致。
• 填充错误：连续 5 个相同位后未出现相反位。
• CRC 错误：校验和不匹配。
• ACK 错误：未收到其他节点的确认。
  错误触发后，节点发送错误帧并进入错误计数状态，严重时自动离线。

CAN 波特率配置

波特率由总线时钟分频和位时间段决定。位时间段分为：

• 同步段（SYNC_SEG）：固定 1 个时间单位。
• 传播段（PROP_SEG）：补偿物理延迟。
• 相位缓冲段（PHASE_SEG1/2）：调整采样点位置。

计算公式：
$$ \text{波特率} = \frac{\text{总线时钟}}{\text{分频系数} \times (\text{SYNC_SEG} + \text{PROP_SEG} + \text{PHASE_SEG1} + \text{PHASE_SEG2})} $$

CAN 应用场景

• 汽车电子：ECU（发动机控制单元）、传感器通信。
• 工业自动化：PLC、电机控制。
• 医疗设备：实时数据监控。

CAN 与 CAN FD 区别

CAN FD（Flexible Data Rate）是 CAN 的升级版本，主要改进：

• 数据段波特率可高于仲裁段。
• 数据长度扩展至 64 字节。
• 改进 CRC 校验算法。

CAN 硬件连接

• 终端电阻：总线两端需接 120Ω 电阻以匹配阻抗。
• 布线要求：双绞线减少干扰，长度影响最大波特率。

通过上述内容可全面理解 CAN 协议的核心机制与应用方法。