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STM32学习和实践笔记（43）：CAN通信实验（1）

news 2025/10/24 17:15:01

1.CAN总线介绍

CAN 是Controller Area Network 的缩写，中文意思是控制器局域网络，是ISO国际标准化的串行通信协议。它是德国电气商博世公司于1986年面向汽车而开发的CAN 通信协议。

此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化。CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN通信只具有两根信号线，分别是CAN_H和CAN_L，CAN 控制器根据这两根线上的电位差来判断总线电平。

总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。

发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

（什么是显性电平和隐性电平？

在CAN通信中，隐性电平和显性电平是两种不同的逻辑状态，它们通过CAN_H和CAN_L两线之间的差分电压，来表示不同的逻辑值。

隐性电平（Recessive Level）：隐性电平代表逻辑“1”。在总线空闲或发送隐性位时，CAN_H和CAN_L的对地电压都约等于2.5V，两条线之间的电压差为0V 。当所有节点都输出隐性电平时，总线上即为隐性电平。隐性电平具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。很明显，只有所有节点的CAN_H和CAN_L都输出2.5V时，总线上两线之电压差才为0.

显性电平（Dominant Level）：显性电平代表逻辑“0”。当某个节点要发送信号时，会将CAN_H的电压拉高到约3.75V左右，将CAN_L的电压拉低到约1.25V左右，这样两条线之间的电压差为2.5V 。 在总线上执行逻辑上的“与”运算时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1” 。 “显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。

这个显与隐可以这样记忆：显是显示出来，无论有多少个1，只要他们与0相与，那么结果就将为0.所以，0是很容易在众多个1中显示出来的，所以显示电平，表示逻辑0.

总结来说，隐性电平和显性电平是CAN通信中的两种基本电平状态。隐性电平对应逻辑“1”，当所有节点都输出隐性电平时，总线才表现为隐性电平；而显性电平对应逻辑“0”，当至少有一个节点输出显性电平时，总线表现为显性电平。这种设计使得CAN总线具有很强的抗干扰能力，并能有效保证通信的可靠性）

CAN协议特点：

（1）多主控制。

多主控制，是指多个节点都可以作为主机来使用总线。优先级是根据各节点的ID号来决定的。

（前面学的RS485，传统上一般是一主多从模式。即整个系统中只有一个主节点负责轮询各个从节点以实现通信。但是现代技术，也已经能够使用RS485，支持并实现多主多从模式。）

CAN协议的多主控制是其核心设计思想之一，它构建了一种去中心化的网络架构。为了让你快速把握其与传统主从模式的核心区别，请看下表：

对比维度	传统主从模式 (如Modbus RTU)	CAN多主控制模式
控制权	集中于主设备，存在单点故障风险	分散于所有节点，无单一控制中心
通信发起	只能由主设备发起，从设备被动响应	任何节点在总线空闲时均可主动发起通信
故障影响	主设备故障可能导致整个网络瘫痪	单个节点故障不影响其他节点通信，可靠性高
灵活性	增加或减少从设备需重新配置主设备	新增节点可直接接入，无需修改现有节点软硬件

🔌 工作原理与仲裁机制

多主控制的实现，依赖于两个关键机制：“载波侦听” 和“非破坏性位仲裁”。

载波侦听（CSMA）：在发送消息前，每个节点都会持续检测总线状态。只有当总线处于空闲状态（表现为连续的“隐性”位，即逻辑1）时，节点才会尝试开始发送消息。这就像十字路口的司机，都要先观察路面是否空旷再决定是否通过。
非破坏性位仲裁（NDBA）：当多个节点恰好同时开始发送时，冲突如何解决？CAN协议通过仲裁机制优雅地处理了这一点。在传输消息的标识符（ID） 段时，所有节点会一边发送自己的ID位，一边读取总线上的实际电平。
- CAN总线采用“线与”逻辑：显性位（逻辑0）会覆盖隐性位（逻辑1）。
- 这意味着，ID值越小（其二进制表示中前导0越多），优先级越高。当某个节点发送一个隐性位（1），但检测到总线上是显性位（0）时，它立即意识到有更高优先级的消息正在发送，于是主动停止发送并转为接收模式，等待总线空闲后自动重试。（漂亮！！）
- 关键优势：这个仲裁过程发生在瞬间，高优先级的消息不受任何影响，仿佛没有发生冲突一样继续传输，保证了总线带宽的高效利用和关键数据的实时性。

💡 为何需要多主控制？

这种设计主要是为了满足汽车、工业控制等场景对高可靠性和强实时性的苛刻要求。

提升可靠性：没有“主节点”这个单一故障点。任何一个节点（比如车窗控制器）失效，都不会影响发动机控制、刹车系统等关键节点之间的通信，系统容错能力极强。
保证实时性：紧急消息（如碰撞检测信号）可以赋予最高优先级（最小的ID），确保其总能立即获得总线使用权，几乎无延迟地送达，这对于安全至关重要。
增强灵活性：系统扩展变得非常简单。增加新功能或新节点时，只需将其接入总线即可，无需改动网络中原有的任何其他节点。

总而言之，CAN的多主控制机制通过巧妙的仲裁规则，在实现去中心化、高可靠性的同时，也确保了高优先级数据的实时传输能力，这是它成为汽车和工业领域主流总线技术的关键原因之一。

（2）系统的柔软性。

这是指挂接在can总线上的各节点，并没有像前面的IIC一样，每个器件有一个地址码。

CAN协议的“系统柔软性”是其核心设计优势之一，它主要描述了系统在增加或减少节点时的高度灵活性和便捷性。简单来说，这意味着当您需要扩展或调整一个基于CAN总线的网络时，无需修改现有节点的硬件或软件，新节点可以直接接入总线并开始通信。

为了更直观地理解它与传统总线架构的区别，请看下表：

对比维度	传统总线（如主从式RS-485）	CAN总线
寻址方式	依赖唯一的硬件节点地址（如从机地址1、2、3...）	基于消息标识符（ID），标识消息内容和优先级，与发送节点“地址”无关
添加新节点	必须为新增节点分配一个未被占用的唯一地址，并可能需要配置主机以识别该地址，改动较大。	新节点只需接入总线，并配置好与总线相同的通信速率即可。只要其发送的消息ID是唯一的，就能正常收发数据。
数据流动	通常为主设备轮询从设备，通信路径固定。	多主控制，任何节点可在总线空闲时主动发送数据，支持广播，使数据流动更灵活。

💡 柔软性的核心：基于消息标识符的通信

这种柔软性的根源在于CAN协议废除了传统的“站地址”概念。在大多数总线中，每个设备都有一个独一无二的地址，通信时需要指定目标地址。

而CAN协议采用了一种基于消息内容的标识符（ID）。这个ID并不代表消息要发送到哪个节点，而是标识了消息本身的含义和优先级。例如，一个ID可能代表“发动机转速”，另一个ID代表“车门开关状态”。任何需要“发动机转速”数据的节点，都会去接收并处理这个特定ID的消息。

这种方式带来了两大关键好处：

即插即用：新增一个传感器节点时，您只需确保它发送的消息ID在网络中是唯一的，且其通信速率与总线一致即可。其他需要该数据的节点会自动接收，完全不需要为它分配地址或修改现有节点的程序。
数据共享高效：一条消息（如“车速”）可以被多个需要它的节点（如仪表盘、ABS系统、发动机控制器）同时接收，实现了高效的数据广播，非常适合分布式控制系统。

🛠️ 实际应用中的体现

这种柔软性在以下场景中价值巨大：

系统扩容：在工业生产线中，若要增加一个温度监测点，只需将新的温度传感器接入CAN总线，并让其报告一个唯一的温度消息ID。原有的控制器和显示单元无需任何改动就能获取这个新数据。
功能升级：在汽车电子中，为高端车型增加一个新功能（如盲区监测），只需将相应的控制单元接入现有的CAN网络。它可以通过广播消息与其他系统（如车身控制器、仪表盘）进行交互，而无需改动这些现有系统的基础配置。

💎 总结

总而言之，CAN协议的“系统柔软性”特点使其成为一种非常模块化和易于扩展的通信解决方案。它通过基于消息ID的通信模式，实现了节点的“即插即用”，极大地降低了系统集成、维护和升级的复杂性。这正是它在汽车、工业自动化等需要高度灵活性的领域备受青睐的重要原因之一。

（3）通信速度较快，通信距离远。

在5Kbps的速度下，距离可以达到10公里！

CAN总线的通讯速度和通讯距离之间确实存在一个非常明确的反比关系，这是其物理特性决定的。简单来说，通讯速度越高，有效的通讯距离就越短；反之，若要传得更远，就必须降低速度。

下表清晰地展示了在不同通讯速率下，CAN总线典型的最大无中继传输距离 。

通讯速率 (kbps)	最大通讯距离 (米)	典型应用场景
1000	约 40	汽车动力系统（发动机、ABS等），工业实时控制
500	约 130	工业自动化、车身控制
250	约 270	工业网络、车辆诊断
125	约 530	低速容错CAN，车身舒适系统（车窗、座椅）
100	约 620
50	约 1300 (1.3公里)
20	约 3300 (3.3公里)
10	约 6700 (6.7公里)
5	约 10000 (10公里)	超长距离低速监测

🔧 核心原理：为何速度与距离不可兼得？

这种反比关系主要由两个物理层面的因素决定：

信号衰减与畸变：电信号在导线中传输时，会随着距离的增加而逐渐减弱（衰减），并且由于线路的电容和电感效应，信号的波形会变得圆钝（畸变）。速率越高，信号变化的频率就越快，波形越容易失真。当传输距离过长时，失真会变得严重，导致接收端无法正确识别“0”和“1” 。
位定时同步：CAN总线上的所有节点需要保持同步，以便在正确的时刻采样数据位。总线长度增加意味着信号从发送端到接收端的传播延迟也会增加。在高速通信时，这个延迟可能占据一个位宽（bit time）的相当大部分，留给各个节点调整同步的余量就非常小，容易造成采样错误。

因此，为了保证通信的可靠性，在长距离传输时，必须降低速率，给信号衰减和传播延迟留出足够的容错空间。

💡 工程实践中的要点与对策

了解这一关系后，在实际项目中需要注意以下几点：

确定实际需求：首先明确你的项目对实时性（速度） 和覆盖范围（距离） 哪个要求更高。例如，控制机器人关节需要高速短距离，而监控分布式农田传感器则可能需要低速长距离。
遵守布线规范：为了最大限度保证信号质量，应使用特性阻抗约为120Ω的双绞线，并在总线的最远两端各并联一个120Ω的终端电阻，以消除信号反射。
突破距离限制：如果项目既需要高速度，又需要长距离，单段CAN总线无法满足。此时可以使用中继器（Repeater） 或 CAN网关（Gateway） 将长距离分割成几个较短的网段，或者在CAN总线和其他适合长距离的通信方式（如光纤、以太网）之间进行转换。

💎 总结

总而言之，CAN总线的通讯速度与距离是此消彼长的关系，这是其物理特性决定的。在设计系统时，您需要根据实际应用场景在速度和距离之间做出权衡，并遵循正确的布线规范。对于极端的需求，可以通过添加网络设备来扩展能力。

（4）具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。

所有节点，都有错误检测功能，一旦检测到错误，即通知所有节点。而正在发送的节点会停止当前发送而重新发送，直到重新发送成功为止。

（5）故障封闭功能。

是指故障是完全分类的，不存在不可识别的故障。

（6）连接节点多。

这与通讯速度有关。节点越多，速度越慢。

高速can协议可挂最多30个设备。

低速can协议最多可挂20个设备。

CAN 已通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，这两种标准在物理层的主要不同点如图

开发板上使用ISO11898版本讲解。

对ISO11898，隐性时，两根线上电压都为2.5V，所以其标准电压差是0，这表示逻辑1.

显性时，CAN_High为3.5V，CAN_Low为1V，所以两线的标准电压差是2.5V，这表示逻辑0

CAN总线能够实现“显性电平覆盖隐性电平”，进而实现优雅的总线仲裁，主要依赖于其独特的硬件电路设计（“线与”逻辑）和协议规则（非破坏性仲裁机制）。

简单来说，您可以把它想象成一场“礼貌的抢答”：很多人可以同时举手，但一旦看到有人举得更高（显性电平），其他人就会立刻放下手，让那位举得最高的人发言，整个过程没有争吵和混乱。

下面这个表格清晰地展示了实现这一功能的关键基础：

关键要素	具体说明
物理逻辑	“线与”逻辑：总线上的所有CAN收发器输出端是并联的，形成类似“线与”的关系。
电平定义	显性电平 (逻辑0)：差分电压 > 0.9V（典型值2V），优先级高。隐性电平 (逻辑1)：差分电压 < 0.5V（典型值0V），优先级低。
电路特性	显性电平（逻辑0）在电路上表现为主动驱动到低电平，如同“强力下拉”。而隐性电平（逻辑1）则表现为高阻态（释放总线），仅靠终端电阻拉回。

💡 工作机制详解

基于以上基础，其工作流程如下：

硬件基础：“线与”连接

所有连接到CAN总线上的节点的CAN_H和CAN_L线分别是并联在一起的。这意味着任何一个节点都可以主动地将总线拉到一个确定的电平上。
“覆盖”的瞬间：显性电平的主导作用

当总线处于隐性状态（所有节点都输出1）时，差分电压为0V。此时，如果有任何一个节点开始发送显性电平（0），它的收发器内部的晶体管会导通，将CAN_H拉向高电压（如3.5V），将CAN_L拉向低电压（如1.5V），从而产生一个约2V的差分电压。

由于是“线与”连接，这个强制的低电平（0）会覆盖掉其他节点试图维持的高电平（1）。从电路上看，就好像是“接地”的力量战胜了“上拉”的力量。因此，整个总线会立即呈现出显性电平状态。
协议保障：非破坏性仲裁

这一物理特性被CAN协议巧妙地用于解决多节点同时发送的冲突，即“仲裁”。
- 每个节点在发送每一位数据的同时，也在回读总线上的实际电平。
- 仲裁发生在数据帧的标识符（ID）段。ID值越小（其二进制表示前导0越多），优先级越高。
- 当两个节点同时发送时，它们会从ID的最高位开始逐位比较。如果某个节点发送的是隐性位（1），但回读到的却是显性位（0），它就会立即停止发送，并转为接收模式。
- 由于这个退出操作是瞬间完成的，获胜节点（发送显性位的一方）的发送流不会受到任何干扰，可以继续完成整个报文的传输。这就是“非破坏性”的含义——仲裁过程不会损坏高优先级的数据。