什么是CAN总线？
CAN总线是一种多主机、串行通信协议，由德国博世公司（Bosch）在1980年代初为解决汽车中日益增长的电子控制单元之间的通信问题而开发，它是一种基于事件触发（非时间触发）的广播式通信网络。
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核心思想： 将汽车中众多独立的ECU（如发动机控制单元、变速箱控制单元、ABS单元等）通过两条数据线连接成一个网络，实现信息共享和协同工作，从而减少线束数量,提高系统可靠性和灵活性。
CAN总线核心技术特点
CAN总线之所以能成为行业标准,得益于其一系列卓越的技术特性：
多主站与总线仲裁
- 多主站： 网络中的任何一个节点（ECU）都可以在总线空闲时主动发送数据,没有主从之分。
- 非破坏性总线仲裁： 这是CAN最核心的技术之一，当多个节点同时发送数据时，会发生“数据碰撞”，CAN通过“逐位仲裁”机制来解决冲突：
- 每个节点在发送数据的同时,也在监听总线上的电平。
- 如果发送的电平与监听到的电平不一致（节点发送“显性”电平，但监听到“隐性”电平），说明有其他节点在发送更高优先级的数据（“显性”电平覆盖“隐性”电平）。
- 发生冲突的节点会立即停止发送，转为接收者,直到总线空闲。
- 结果： 优先级最高的数据可以不受任何干扰地成功发送，而低优先级的数据会自动退避,保证了高优先级信息的实时性。
高可靠性
- 差分信号传输： CAN总线使用两根线（CAN_High 和 CAN_Low）进行信号传输，信号是“差分”的，即通过比较两根线之间的电压差来判断逻辑状态（“显性”为0，“隐性”为1），这种方式对电磁干扰（EMI）有极强的抗干扰能力。
- 错误检测与处理： CAN协议内置了强大的错误检测机制，包括：
- 位错误检测： 检查发送的位与监听的位是否一致。
- 填充错误检测： 为防止数据流中出现过多连续的相同电平，采用位填充技术（每连续5个相同电平后插入一个相反电平）,接收方会检查填充规则是否被破坏。
- CRC（循环冗余校验）： 对每帧数据进行校验,确保数据在传输过程中没有出错。
- 格式错误检测： 检查帧格式是否正确。
- 错误处理： 当检测到错误时，节点会发送一个“错误帧”，通知所有节点，并丢弃错误数据，然后尝试重新发送,确保了通信的健壮性。
实时性
- 由于非破坏性总线仲裁机制，高优先级的信息（如刹车信号、碰撞预警）能够被立即发送，不受低优先级信息（如车窗升降、空调调节）的阻塞,满足了汽车和工业控制中对时间确定性要求苛刻的场景。
灵活性与可扩展性
- 即插即用： 新的ECU节点可以方便地挂接到现有的CAN总线上,而无需修改现有节点的软件。
- 模块化设计： 汽车或设备的功能被分解到不同的ECU模块中，便于设计、生产和维护。
低成本
- 相比于为每个功能都配备独立的传感器和执行器，CAN总线通过共享数据极大地减少了线束数量，在汽车中，线束的重量和成本都相当可观,CAN总线有效降低了整车成本和重量。
CAN总线协议帧结构
CAN总线的数据传输以“帧”为单位,主要有四种帧类型：
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数据帧： 用于节点发送数据到其他节点,是最常用的帧类型。
（图片来源网络，侵删）- 帧起始： 标示一个帧的开始。
- 仲裁场： 包含11位（标准帧）或29位（扩展帧）的标识符和RTR位。标识符决定了报文的优先级。
- 控制场： 包含数据长度码和保留位。
- 数据场： 包含0到8字节的有效数据。
- CRC场： 用于错误校验的循环冗余码。
- 应答场： 接收节点通过发送“应答”信号来确认成功接收。
- 帧结束： 标示一个帧的结束。
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远程帧： 用于请求另一节点发送具有相同标识符的数据帧（较少使用）。
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错误帧： 任何节点检测到错误时都会发送此帧,以通知所有节点。
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过载帧： 用于在数据帧之间提供额外的延迟,主要用于处理接收方的处理速度问题。
CAN总线的主要应用领域
汽车电子（最主要、最广泛的应用）
CAN总线是现代汽车的“神经网络”,几乎无处不在。
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- 动力总成系统： 发动机控制单元、变速箱控制单元、防抱死系统等需要实时共享转速、扭矩、车速等关键数据。
- 底盘电子系统： 电子稳定程序、电动助力转向、主动悬架等协同工作,提升操控性和安全性。
- 车身电子系统： 车窗控制、车灯控制、中控门锁、空调系统等通过CAN总线连接,实现集中控制。
- 信息娱乐系统： 车载导航、音响系统、仪表盘显示等。
- 高级驾驶辅助系统： 雷达、摄像头、超声波传感器等通过CAN或其高速版本（CAN FD）将数据融合，实现自适应巡航、车道保持等功能。
- 新能源汽车： 电池管理系统、电机控制器、充电机等之间通过CAN总线进行高效通信和管理。
工业自动化
- 现场总线： 在工厂自动化中，CAN总线（特别是其衍生标准 CANopen）被广泛用于连接PLC、传感器、执行器、驱动器等设备,构成分布式控制系统。
- 医疗设备： 在监护仪、呼吸机、X光机等设备中,用于内部模块间的通信。
- 工程机械： 在起重机、挖掘机、农业机械中，用于控制液压系统、显示作业状态等。
- 楼宇自动化： 用于控制电梯、空调、照明和安防系统。
其他领域
- 航空航天： 在卫星、飞行器的内部通信系统中。
- 船舶电子： 用于导航、通信和动力系统的控制。
- 智能家居： 在一些高端智能家居系统中,用于连接各种智能设备。
CAN总线的演进：CAN FD
随着汽车电子系统对数据量和传输速率要求的不断提高，传统的CAN总线逐渐显现出瓶颈（最高1Mbps，每帧最多8字节数据），为此，CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate）应运而生。
CAN FD是传统CAN总线的增强版,主要改进包括：
- 更高的数据速率： 在仲裁段仍使用传统速率（如1Mbps）,但在数据段可以使用高达5Mbps甚至更高的速率。
- 更大的数据长度： 每帧数据可以从8字节增加到64字节,大大提高了数据传输效率。
- 更优的CRC校验： 数据段使用更长的CRC校验码,提供了更强的错误检测能力。
CAN FD向下兼容传统CAN总线，允许在同一个网络中混合使用两种类型的节点，是实现自动驾驶、OTA升级等高级功能的理想选择。
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 核心优势 | 高可靠性、强实时性、灵活性高、成本低 |
| 关键技术 | 非破坏性总线仲裁、差分信号传输、强大的错误检测机制 |
| 主要角色 | 汽车电子的“标准神经网络”，工业自动化的“现场总线” |
| 应用范围 | 从动力系统到信息娱乐，从工厂生产线到医疗设备 |
| 未来趋势 | CAN FD 正在逐步取代传统CAN，以满足大数据量、高带宽的需求，是自动驾驶和智能网联汽车的关键技术。 |
CAN总线技术以其卓越的性能和可靠性，在过去几十年里深刻地改变了汽车和工业控制领域的面貌，并且随着CAN FD等新技术的出现,它将继续在智能化和自动化的浪潮中扮演至关重要的角色。
