硬件学习笔记--50 CAN相关基础知识介绍

1、CAN应用介绍

        CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种广泛应用于汽车、工业控制等领域的串行通信协议。它具有高可靠性、实时性和抗干扰能力，其核心功能包括多主通信、错误处理、低功耗模式和网络管理等，同时通过CAN FD、CANopen等扩展协议满足更高需求。

2、CAN控制器与CAN收发器差异

        CAN控制器和普通CAN芯片（通常指CAN收发器）在功能和用途上有显著差异，有些CAN控制器内部集成CAN收发器，两者之间的差异主要体现在以下几个方面：

2.1功能定位

• CAN控制器：

  • 负责处理CAN协议的逻辑部分，包括数据帧的封装、解析、错误检测、仲裁、位时序控制等。

  • 将微处理器（如MCU）的数据转换为符合CAN协议的帧格式，并通过CAN收发器发送到总线上。

  • 接收来自CAN收发器的差分信号，并将其转换为微处理器可处理的逻辑信号2810。

• CAN收发器：

  • 主要负责物理层的信号转换，将CAN控制器的逻辑电平信号（如TTL电平）转换为差分信号（CAN_H和CAN_L），或反之。

  • 不涉及协议处理，仅作为信号的中介，确保信号在总线上的可靠传输1314。

2.2 硬件结构

• CAN控制器：

  • 通常集成在微处理器中（如STM32的CAN外设），或作为独立芯片（如SJA1000）。

  • 包含复杂的逻辑电路，支持CAN协议的帧格式、波特率配置、错误处理等功能310。

• CAN收发器：

  • 通常是独立的芯片（如TJA1050、SN65HVD230），结构相对简单。

  • 主要包含差分信号驱动器和接收器，用于电平转换和信号隔离1314。

2.3 应用场景

• CAN控制器：

  • 用于需要处理CAN协议的应用场景，如汽车电子、工业控制、医疗设备等。

  • 必须与微处理器配合使用，完成数据的封装、解析和逻辑控制28。

• CAN收发器：

  • 用于连接CAN控制器和物理总线，确保信号在长距离传输中的抗干扰能力。

  • 适用于任何需要CAN总线通信的系统，但本身不参与协议处理1314。

2.4 性能特点

• CAN控制器：

  • 支持多种CAN协议版本（如CAN 2.0A、CAN 2.0B）。

  • 具有强大的错误检测和处理能力，支持自动重发、仲裁、位同步等功能310。

• CAN收发器：

  • 主要关注信号的抗干扰能力和传输距离。

  • 支持高速（如1Mbps）和低速（如125kbps）通信，适用于不同的总线长度和环境条件1314。

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2.5 集成方式

• CAN控制器：

  • 可以是独立的芯片（如SJA1000），也可以集成在微处理器中（如STM32的CAN外设）。

  • 独立控制器需要外部微处理器控制，而集成控制器则直接由微处理器管理310。

• CAN收发器：

  • 通常是独立芯片，与CAN控制器通过TX、RX引脚连接。

  • 不依赖微处理器，仅作为信号转换的中介1314。

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2.6 总结

CAN控制器和CAN收发器在CAN总线系统中扮演不同的角色：

• CAN控制器负责协议处理和数据管理，是系统的“大脑”。

• CAN收发器负责信号转换和物理传输，是系统的“桥梁”。
  两者通常需要配合使用，才能实现完整的CAN通信功能

3、典型应用电路

3.1系统框图

3.2 CAN典型应用原理

以为Microchip芯片MCP2515（CAN控制器）为例，其参考原理如下，配合MCP2561（CAN收发器），和MCU连接的主要有SPI接口，复位接口以及INT、RXB0、RXB1。

4、CAN应用注意事项

4.1 硬件设计

• 终端电阻：总线两端需加120Ω终端电阻，匹配阻抗，减少信号反射。

• 线缆选择：使用双绞线，降低电磁干扰（EMI）。

• 电源隔离：为CAN收发器提供独立电源，避免干扰。

• 接地处理：确保所有节点共地，防止地电位差引入噪声。

4.2 软件设计

• 错误处理：实现完善的错误检测与恢复机制，如自动重发。

• 帧优先级：根据ID设置消息优先级，确保关键信息及时传输。

• 数据长度：CAN帧数据域最多8字节，需合理设计数据格式。

• 波特率设置：所有节点波特率必须一致，常见速率有125kbps、250kbps、500kbps和1Mbps。

4.3 网络拓扑

• 总线长度：总线长度影响最大波特率，1Mbps时建议不超过40米。

• 节点数量：通常支持最多110个节点，过多可能影响通信质量。

• 布线规范：避免星形或环形拓扑，采用线性总线结构。

4.4 电磁兼容性（EMC）

• 屏蔽措施：在高干扰环境中使用屏蔽双绞线，并正确接地。

• 滤波电路：在电源和信号线上增加滤波电路，减少噪声。

4.5 调试与测试

• 总线监控：使用CAN分析仪监控总线状态，排查问题。

• 信号质量：定期检查信号波形，确保无畸变或干扰。

• 节点测试：单独测试每个节点，确保其正常工作。

4.6 环境适应性

• 温度范围：选择适合工作温度的元器件，尤其是汽车和工业环境。

• 防护措施：在恶劣环境中，增加防护措施，如防水、防尘。

4.7 协议兼容性

• 标准帧与扩展帧：确保所有节点兼容标准帧（11位ID）和扩展帧（29位ID）。

• 高层协议：如使用CANopen或J1939等高层协议，确保协议栈正确实现。

4.8  电源管理

• 低功耗设计：在电池供电系统中，优化电源管理，降低功耗。

• 电源稳定性：确保电源电压稳定，避免波动影响通信。