3.25. CAN 总线基础

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）最初由 Bosch 于 20 世纪 80 年代设计，用于将汽车中所有的电子控制单元连接到一条短小的共享总线上。它至今仍主导着汽车线束领域，但其同样出色的鲁棒性、实时性以及多主设计也使它成为自动化、机器人、农业和各类工业设备中默认的现场总线。

CAN 不像 SPI 和 I2C 那样有单一的“控制器”和一组“外设”。总线上的每个节点都是对等的，任何节点都可以在总线空闲时发送数据。使这种架构能够扩展的，是总线的“广播加仲裁”设计。

3.25.1. 带优先级仲裁的广播

CAN 总线上的每条消息都携带一个标识符——经典标准帧为 11 位，扩展帧为 29 位。该标识符并不是地址；它标记的是这条消息关于什么（发动机转速、刹车踏板位置、电池电压等）。当某个节点想要发送一个数值时，它会用相应的标识符给该值打上标签并广播出去，总线上的每个节点都能看到这次广播。每个接收方都在硬件层面对总线进行过滤，只挑选出自己关心的 ID。

如果两个节点试图同时发送，总线的电气设计会让数值较小的标识符所对应的消息胜出，且不会丢失任何位。

其中的诀窍在于总线的两种电气状态：显性（逻辑 0）和隐性（逻辑 1）。当没有节点发送数据时，CAN 线由终端电阻保持为高电平（隐性）；任何节点都可以通过其收发器灌入电流，将线拉低（显性）。其结果是一种线与（wired-AND）逻辑：只要有任意一个节点将总线驱动为显性，线就读作显性；只有当每个节点都释放总线时，才读作隐性。显性总是胜出。（有些参考资料将同样的机制称为线或（wired-OR），把“显性”视为有效信号，而不是隐性位的与运算——无论哪种说法，其物理行为都完全相同。）

概念形式的线与逻辑。真实的 CAN 在一对差分线（CAN_H / CAN_L）上运行同样的逻辑，收发器和终端电阻分布在两根线上，但总线上的规则是相同的：任何节点都可以拉为显性，只有当每个节点都释放时它才读作隐性。

仲裁正是直接利用了这种不对称性。每个发送节点都逐位发送其 ID，最高有效位（MSB）在前，并在发送的同时监视总线。如果某节点在线上送出一个隐性位却读回了显性位，它就知道有另一个 ID 更小的节点正在同时发送，并已在该位位置上胜出。它会立即停止驱动总线并转为侦听。与此同时，胜出的节点看到自己送出的位原样保持不变——从它的角度看，并没有发生什么异常。编号较小的 ID 之所以胜出，是因为它的显性位覆盖了编号较大的 ID 本应在相同位置发送的隐性位。

失败的节点随后会等待总线变为空闲，并自动重试。这里没有冲突，也不会丢失消息——只有确定性的优先级排序。

正是这种发布/订阅风格使 CAN 能够大规模工作：任何人都可以发送，任何人都可以接收，而 ID 使得分发隐式完成。

3.25.2. 物理总线

MCU 的 CAN 控制器并不直接驱动总线。它只暴露两个 3.3 V 的 CMOS 引脚——TX（它想要发送的位）和 RX（它在总线上看到的位）——这两个引脚连接到一颗称为 CAN 收发器（transceiver）或 PHY 的独立芯片。收发器位于控制器和真实的 CAN 线之间；它才是懂得如何与总线通信的部件。

总线本身是一对 5 V 的差分线：

• CAN_H——这对线中的“高”线。

• CAN_L——“低”线。

在隐性状态下，两根线都大约处于 2.5 V（总线 5 V 供电的中点）。在显性状态下，收发器将 CAN_H 拉高到约 3.5 V，将 CAN_L 拉低到约 1.5 V，从而在这对线之间产生约 2 V 的差分电压。接收方采样的是两根线之间的差值，这使得信号对长距离电缆上拾取的共模噪声免疫。

收发器的双向工作：

• 在 TX 一侧，它读取控制器 3.3 V 的单端 TX 引脚，对于显性状态将 CAN_H 和 CAN_L 拉开，对于隐性状态则释放二者。

• 在 RX 一侧，它读取差分的 CAN_H / CAN_L 线对，并在其 RX 引脚上向控制器报告一个单端的 3.3 V 电平。

两个 120 欧姆的终端电阻，分别位于电缆的两个物理端点，在没有节点驱动时将总线保持在隐性中点电压，并抑制反射——否则反射会在长距离传输时破坏差分信号。

3.25.3. 数据帧

标准 CAN 数据帧在线上看起来是这样的：

标准 CAN 数据帧：SOF、ID、RTR、控制、数据、CRC、ACK 和 EOF 字段。

每个字段都有特定的作用：

• SOF（帧起始）。一个显性位，表示一个新帧正在开始，并使每个节点的位时钟同步。

• ID（标识符）。总线据以仲裁的 11 位标识符。数值越小 = 优先级越高。

• RTR（远程传输请求）。当帧是对数据的请求而非对数据的发送时置位；具有匹配 ID 的接收方会通过自行发送数据来响应。

• Control（控制）。 一个 6 位字段，编码数据长度（DLC）以及若干管理位。

• Data（数据）。 0 到 8 字节的有效载荷（CAN Classic；CAN FD 将其扩展到 64 字节）。

• CRC。 共 16 位：对前面各字段计算的 15 位 CRC 加上 1 位 CRC 定界符。

• ACK。 共 2 位。在第一位——ACK 槽——发送方释放总线，任何正确接收到该帧的节点都会将其拉低；第二位是一个隐性定界符。缺少 ACK 则告诉发送方没有节点收到该帧，应当重新发送。

• EOF（帧结束）。七个隐性位，用于结束该帧。

所有这些都由 CAN 控制器在硬件中生成和解码；软件只看到 ID、数据和少数几个标志位。

3.25.4. CAN 的定位

CAN 的设计取舍决定了它的适用领域：

• 鲁棒。 双绞线上的差分信号、内建的错误检测、确定性的优先级仲裁以及自动重试，使 CAN 能够在 UART 和 SPI 会损坏数据的电气噪声环境中正常工作。

• 多主。 任何节点都可以在任何时刻发送。不需要中央控制器，也没有任何节点会成为单点故障。

• 带宽受限。 经典 CAN 的上限约为 1 Mbit/s；CAN FD 对此进行了扩展。当链路位于电路板或模块之间、通常要跨越数米电缆、且以可靠性为优先时，CAN 是正确的选择。

• 高层协议。 裸 CAN 总线并不规定一个 ID 的含义，也不规定如何将一条长消息拆分成分片。CANopen、J1939、ISO-TP/UDS、NMEA 2000 等应用层协议在其之上叠加了这些规则。另一个值得了解的东西是 DBC 文件：一种厂商专用的文本格式，记录在某个特定车辆或系统上哪些 ID 携带哪些位级信号。DBC 文件是描述某条总线消息布局的元数据格式，本身并不是一种协议。

代码中的 CAN 总线 中的驱动处理线级的 CAN 帧；将 ID 映射到含义则是应用程序的工作。