嵌入式科普(41)通过对比深刻理解CAN总线协议特性

一、概述

1、网上众多CAN总线教程过于复杂，不利于初学者抓住关键点
2、通过对比嵌入式常见通信协议，让初学者深入理解CAN总线特性
3、横向对比可以发现各个协议的都具有不可替代性

二、嵌入式通信协议全方位对比表

三、协议核心机制详细对比

3.1 抗干扰能力对比

协议	支持情况	具体实现方式
CAN	优秀 (硬件级)	1. 差分信号 (CAN_H/CAN_L) 2. 15位CRC校验 3. 位监控机制
UART	差	单端信号传输，无内置抗干扰机制
SPI	差	单端信号，短距离板内通信
I2C	差	单端信号，上拉电阻设计
RS485	良好	差分信号传输，物理层抗干扰能力良好
USB	优秀	差分信号 + 数据包CRC校验
以太网	优秀	差分信号 + 32位CRC校验 + 复杂的编码机制

3.2 自动重发机制对比

协议	支持情况	具体实现方式
CAN	硬件自动重发	控制器硬件自动检测错误并重发
UART	软件实现	需在应用层实现超时重传逻辑
SPI	不支持	无任何自动重发机制
I2C	不支持	无任何自动重发机制
RS485	协议层实现	依赖上层协议(如Modbus)实现软件重传
USB	协议层重发	通过NAK握手协议请求主机重发
以太网	传输层重发	TCP协议通过序列号和ACK实现可靠传输

3.3 故障节点隔离对比

协议	支持情况	具体实现方式
CAN	硬件自动隔离	TEC > 255时自动进入Bus-Off状态
UART	不支持	故障节点可能阻塞整个通信
SPI	有限支持	主机可通过禁用片选(CS)隔离从设备
I2C	不支持	故障节点可能拉死整个总线
RS485	不支持	需要额外硬件实现故障隔离
USB	主机控制隔离	主机检测到设备异常后可禁用该设备
以太网	网络层隔离	交换机通过MAC地址学习实现逻辑隔离

3.4 断线检测对比

协议	支持情况	具体实现方式
CAN	间接检测	通过TEC增长和Bus-Off状态推断断线
UART	软件超时检测	应用层心跳包和超时机制
SPI	无法检测	无任何断线检测机制
I2C	无法检测	无任何断线检测机制
RS485	软件检测	Modbus等协议的心跳机制
USB	硬件链路检测	PHY芯片直接检测物理连接状态
以太网	硬件链路检测	PHY芯片检测链路脉冲，自动报告Link状态

3.5 诊断系统对比

协议	支持情况	具体实现方式
CAN	标准化诊断	UDS协议，完整的诊断服务
UART	自定义协议	需要自行定义诊断命令格式
SPI	无标准	无标准化诊断协议
I2C	无标准	无标准化诊断协议
RS485	工业协议	Modbus等协议提供基本诊断功能
USB	设备枚举	通过描述符识别设备状态和能力
以太网	网络诊断	ICMP、SNMP等网络层诊断工具

综合评级总结

协议	抗干扰	自动重发	故障隔离	断线检测	诊断系统	适用场景
CAN	✓✓✓	✓✓✓	✓✓✓	✓✓	✓✓✓	汽车、工业控制
UART	✗	✓	✗	✓	✓	调试、简单通信
SPI	✗	✗	✓	✗	✗	板内高速通信
I2C	✗	✗	✗	✗	✗	板内低速设备
RS485	✓✓	✓	✗	✓	✓✓	工业自动化
USB	✓✓✓	✓✓	✓✓	✓✓✓	✓✓✓	外设连接
以太网	✓✓✓	✓✓	✓✓	✓✓✓	✓✓✓	网络通信

图例说明：

• ✓✓✓：优秀/硬件级支持

• ✓✓：良好/协议级支持

• ✓：基本/软件实现支持

• ✗：不支持/效果差

关键结论:

1. CAN总线

   在可靠性相关机制上全面领先，特别适合高可靠性要求的控制场景

2. USB

   和以太网在数据传输和连接性方面表现优异，但在实时控制方面不如CAN

3. RS485

   物理层优秀，但缺少智能的错误管理功能

4. UART/SPI/I2C

   简单易用，但在可靠性和错误处理方面较弱

5. 协议选择需要根据具体应用场景在可靠性、成本和复杂度之间权衡

四、CAN总线协议几个特征

4.1 回环模式

1. 工作原理
   在该模式下，CAN控制器内部将TX引脚和RX引脚短接。当你发送一帧报文时，这帧报文不会（或即使发出也同时）被自己的接收器收到。它自己给自己发送ACK应答位，因此总能发送“成功”。

2. 为何需要回环模式？
   硬件验证：在生产或开发初期，验证MCU的CAN控制器硬件及驱动程序是否正常工作。

   软件调试：在只有单个节点或没有CAN分析仪的情况下，开发者可以调试应用程序的通信逻辑，例如验证数据打包/解包程序是否正确。

   孤立测试：测试工作完全在芯片内部进行，与外部环境隔离，非常安全可靠。

3. 注意事项
   与总线关系：在回环模式下，节点通常无法接收到总线上其他节点发送的真实报文。

   常见模式：许多控制器还提供 “回环静默模式（Silent Loopback Mode）” ，它结合了回环和静默模式的特点，主要用于监听总线 activity 而不影响总线，同时内部可以进行自发自收测试。

4.2 接收滤波器

1. 工作原理
   CAN总线是广播式的，所有节点都能“听到”所有报文。如果每帧报文都让CPU处理，其负载将不可承受。接收滤波器就是为解决此问题而设计的硬件“门卫”。

   它包含两个核心概念：

   标识符 (ID)：你想要接收的报文ID。   掩码 (Mask)：决定ID中哪些位必须严格匹配，哪些位可以忽略（不关心）。

   掩码规则：

   掩码位 = 1：对应的ID位必须严格匹配。   掩码位 = 0：对应的ID位不关心（可以是1也可以是0）。

2. 滤波器配置示例
   假设你只想接收ID为 0x123 的报文：

   设置 滤波器ID = 0x123

   设置 掩码 = 0x7FF (所有11位标准ID位都需匹配)

   结果：只有ID恰好为 0x123 的报文才能通过。

   假设你想接收ID在 0x120 到 0x12F 范围内的所有报文：

   分析：这个范围的特征是前8位（高8位）相同 (0x12)，最后4位变化。

   设置 滤波器ID = 0x120

   设置 掩码 = 0x7F0 (高8位必须匹配，低4位不关心)

   结果：所有ID符合 0x12X 的报文都能通过，实现了对一组ID的过滤。

3. 为何需要接收滤波器？
   极大降低CPU中断负载：这是最主要的目的。总线可能充斥大量无关报文，滤波器确保CPU只处理它关心的数据。

   实现协议分离：例如，在一个复杂的系统中，动力系统报文、车身控制报文、诊断报文都有不同的ID段。可以通过设置多个滤波器，将它们分别路由到不同的软件模块进行处理。

   提高系统实时性：CPU免于处理大量无用中断，可以更及时地响应关键任务。

4.3 邮箱Mailbox和FIFO

Mailbox和FIFO是CAN控制器的资源，不同的芯片是有不同的，让你可以将不同过滤器灵活地映射到不同的FIFO上，从而在成本和性能之间取得平衡。

4.4 CAN和CANFD兼容

CAN FD（Flexible Data-rate）作为CAN的升级版，设计上是向下兼容经典CAN的

1. 若进行小规模升级或过渡，可优先考虑使用带CAN FD屏蔽功能的收发器。

2. 若需在经典CAN和CAN FD网络段间建立可靠通信，CAN网桥/网关更合适。

3. 若为全新项目或追求最佳性能和未来性，且预算允许，全部采用CAN FD节点是长远之选

4.5 其他

五、总结

• CAN是一种基于差分信号的中高速总线协议，其多种硬件错误检测机制赋予它极强的抗干扰能力。

• 该协议无需中间件或协议栈，可直接操作寄存器，从而实现了高实时性。

• 内置的邮箱和FIFO等缓冲结构有效降低了CPU负载。

• 可使用逻辑分析仪、CAN盒、wireshark、UDS等多种诊断方法。

• CAN在汽车工业和工业控制等领域具有不可替代的地位。

• 随着成本降低和速度要求越来越高，是否有一种新协议，既有CAN总线的实时性，又有以太网的高吞吐量的，我想可能就是工业以太网的EtherCAT和profinet了。