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【硬件-笔试面试题-60】硬件/电子工程师，笔试面试题-60，（知识点：CAN总线通信原理）

news 2025/8/27 7:10:07

1、题目

2、解答

一、CAN通信的核心特性

二、CAN通信的硬件组成

1. 核心硬件模块

2. 总线物理层

三、CAN通信的核心原理

1. 位时序：异步通信的“时间基准”

2. 总线仲裁：解决多节点发送冲突

3. 错误检测与处理

四、CAN通信的帧结构（协议核心）

1. 标准数据帧结构（共44~108位）

2. 其他帧类型

五、CAN协议版本：CAN 2.0A/B 与 CAN FD

六、CAN通信的典型应用场景

七、总结

题目汇总版--链接：

【硬件-笔试面试题】硬件/电子工程师，笔试面试题汇总版，持续更新学习，加油！！！-CSDN博客

【硬件-笔试面试题-60】硬件/电子工程师，笔试面试题-60，（知识点：CAN总线通信原理）

1、题目

讲讲CAN总线通信协议

2、解答

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种多主从、实时、抗干扰强的串行通信总线，由博世（Bosch）于1986年为汽车电子设计，现广泛应用于工业自动化、智能家居、医疗器械等领域。其核心优势是在复杂电磁环境下实现可靠的数据传输，且支持多节点低成本互联。以下从通信原理、帧结构、硬件组成、协议规范等方面详细讲解：

参考：一文读懂CAN总线协议 (超详细配34张高清图)_can总线协议详解-CSDN博客

一、CAN通信的核心特性

在深入技术细节前，先明确CAN的关键特性，理解其设计初衷：

多主通信：无固定“主机”，所有节点（如ECU、传感器、执行器）均可主动发送数据，通过“非破坏性总线仲裁”决定发送优先级，避免冲突。
实时性强：仲裁机制确保高优先级数据（如紧急故障信号）优先传输，延迟可低至微秒级，满足实时控制需求（如汽车刹车信号）。
抗干扰能力突出：采用差分信号传输（CAN_H与CAN_L两根线），能有效抑制共模干扰（如电机、高压设备产生的电磁噪声），总线最长传输距离达1km（50kbps波特率）。
故障容错：支持总线错误检测（位错误、CRC错误等）、自动重发和节点离线保护，某一节点故障不会导致整个总线瘫痪。
低成本：仅需两根线（CAN_H/CAN_L）即可实现多节点通信，无需时钟线（异步通信），减少布线复杂度和成本。

二、CAN通信的硬件组成

CAN总线系统由“节点”和“总线”两部分组成，每个节点的硬件结构基本一致：

1. 核心硬件模块

模块名称	功能描述
CAN控制器	实现CAN协议的核心逻辑：生成/解析帧结构、总线仲裁、错误检测与处理、位时序控制（如TI的SJA1000、STM32内置CAN外设）。
CAN收发器	将控制器输出的TTL电平信号转换为总线差分信号（CAN_H/CAN_L），反之将总线差分信号转换为TTL电平给控制器（如NXP的TJA1050、TI的SN65HVD230）。
微处理器（MCU/DSP）	控制CAN控制器的工作（如发送/接收数据、配置波特率），处理接收到的数据（如解析传感器信号、生成控制指令）。
总线终端电阻	跨接在CAN_H与CAN_L之间，阻值通常为120Ω，用于匹配总线阻抗，减少信号反射（仅需在总线的两个端点安装，中间节点无需）。

2. 总线物理层

总线拓扑：采用“线型拓扑”（总线两端安装120Ω终端电阻），不支持星型、环形拓扑（会导致信号反射和干扰）。
信号线：

- CAN_H（高电平线）：正常通信时电压范围1.7V~3.5V（显性电平为3.5V，隐性电平为1.7V）；
- CAN_L（低电平线）：正常通信时电压范围0V~1.8V（显性电平为0V，隐性电平为1.8V）；
- 差分电压：显性状态下CAN_H - CAN_L ≈ 2V，隐性状态下≈0V（差分信号抗干扰的核心）。

节点数量：理论上支持110个节点（受总线电容限制，总电容≤600pF），实际应用中通常不超过30个（避免负载过重）。

三、CAN通信的核心原理

1. 位时序：异步通信的“时间基准”

CAN是异步通信（无时钟线），所有节点需通过“位时序”同步时钟，确保数据采样准确。每个数据位的时序被划分为4个段，由最小时间单位Time Quantum（Tq）构成（1Tq = 1/(波特率×位时间内Tq数)）：

时序段名称	功能描述
同步段（SS）	1Tq，用于同步：检测总线电平跳变（隐性→显性），对齐所有节点的位时钟。
传播段（PTS）	2~8Tq，补偿总线信号的传输延迟（距离越远，PTS需越长）。
相位缓冲段1（PBS1）	1~8Tq，用于调整采样点位置，可通过重新同步延长。
相位缓冲段2（PBS2）	1~8Tq，用于调整采样点位置，可通过重新同步缩短。

采样点：位于PBS1与PBS2之间，是节点读取总线电平的时刻（通常在 bit 时间的60%~80%处，确保信号稳定后采样）。
波特率：常见波特率为10kbps~1Mbps（高速CAN），波特率越高，传输距离越短（如1Mbps时最大距离为40m，50kbps时为1km）。

2. 总线仲裁：解决多节点发送冲突

当多个节点同时发送数据时，CAN通过“非破坏性仲裁”决定优先级，高优先级数据优先传输，且不会破坏低优先级数据（冲突后低优先级节点主动退出发送）：

仲裁原理：基于“显性电平（0）优先于隐性电平（1）”。每个节点在发送数据时，同时监测总线电平：

1. 若节点发送“隐性电平（1）”，但监测到总线为“显性电平（0）”，说明有更高优先级节点在发送，立即停止发送，转为接收状态；
2. 若节点发送的电平与总线电平一致，继续发送下一位，直至所有位发送完成（无冲突）。

优先级决定：数据帧的“标识符（ID）”决定优先级——ID的二进制数值越小，优先级越高（如ID=0x000优先级最高，ID=0x7FF优先级最低）。

3. 错误检测与处理

CAN协议定义了5种错误类型，确保数据传输的可靠性：

错误类型	检测机制	处理方式
位错误	节点发送的位电平与监测到的总线电平不一致（除仲裁段和ACK段的隐性位外）。	发送“错误帧”，通知所有节点，并重发当前帧（最多重发8次，失败则离线）。
填充错误	违反“位填充规则”（连续5个相同电平后必须插入1个相反电平，用于同步）。	发送错误帧，重发数据。
CRC错误	接收节点计算的CRC校验值与帧中携带的CRC值不一致。	发送“否定应答（NACK）”，要求发送节点重发。
形式错误	帧结构不符合规范（如帧起始、帧结束、ACK段格式错误）。	发送错误帧，重发数据。
应答错误	发送节点未收到接收节点的ACK信号（ACK段无显性电平）。	发送错误帧，重发数据。

节点状态：错误累积到一定程度后，节点会进入“总线关闭”状态（离线），避免持续发送错误信号干扰总线。

四、CAN通信的帧结构（协议核心）

CAN协议定义了多种帧类型，其中数据帧（用于传输数据）和远程帧（用于请求数据）是最常用的两种，以下以“标准数据帧”（11位ID）为例讲解：

1. 标准数据帧结构（共44~108位）

字段名称	位数	功能描述
帧起始（SOF）	1	显性电平（0），标志数据帧开始，用于同步所有节点。
仲裁段（ID+RTR）	12	- 11位标识符（ID）：决定发送优先级，ID越小优先级越高； - 1位RTR位（远程传输请求）：0=数据帧，1=远程帧。
控制段（IDE+R0+DLC）	6	- IDE位：0=标准帧（11位ID），1=扩展帧（29位ID）； - R0位：保留位（通常为0）； - DLC位（数据长度码）：08，指示数据段的字节数（CAN 2.0A/B支持08字节，CAN FD支持0~64字节）。
数据段	0~64	实际传输的数据（CAN 2.0A/B最大8字节，CAN FD最大64字节），字节数由DLC决定。
CRC段	16	CRC校验码（循环冗余校验），用于检测数据传输错误（接收节点计算CRC并与该字段对比）。
ACK段	2	- ACK位：发送节点发送隐性电平（1），接收节点收到正确数据后发送显性电平（0）表示“应答”； - ACK界定符：隐性电平（1），标志ACK段结束。
帧结束（EOF）	7	隐性电平（1），标志数据帧结束。
间隙（IFS）	3	隐性电平（1），帧之间的间隔，用于节点准备下一次发送。

2. 其他帧类型

远程帧：用于“请求数据”，与数据帧的区别是RTR位=1，且无数据段。例如：节点A发送远程帧（ID=0x001），节点B（ID=0x001的拥有者）收到后，发送对应的数据帧响应。
错误帧：当节点检测到错误时发送，由“错误标志”和“错误界定符”组成，通知所有节点当前总线存在错误。
过载帧：节点因负载过重（如接收缓冲区满）无法接收数据时发送，请求发送节点暂停发送，待节点就绪后恢复。

五、CAN协议版本：CAN 2.0A/B 与 CAN FD

随着应用需求升级，CAN协议衍生出不同版本，核心差异在于数据长度和传输速率：

协议版本	标识符长度	数据段最大长度	最大波特率	核心特点
CAN 2.0A	11位	8字节	1Mbps	基础版本，又称“标准CAN”，支持11位ID（最多2¹¹=2048个节点）。
CAN 2.0B	11位/29位	8字节	1Mbps	扩展版本，支持29位ID（最多2²⁹≈5.3亿个节点），兼容CAN 2.0A。
CAN FD	11位/29位	64字节	8Mbps	“Flexible Data Rate”，解决CAN 2.0的带宽瓶颈：数据段扩展至64字节，波特率提升至8Mbps（数据段采用高速，仲裁段仍为1Mbps，兼容传统CAN节点）。