通信协议篇四：CAN 总线原理与通信机制基础详解

林峰
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13小时前
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CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是 Bosch 在 1980 年代提出的一种高可靠串行总线。它采用差分传输，支持多主通信，通过报文 ID 完成仲裁，并带有较完整的错误检测机制。

ℹ️ 本文范围：本文主要介绍经典 CAN。文中会顺带提到 CAN FD 和 CAN 2.0A / 2.0B，但重点仍然是基础概念、帧格式、仲裁和同步机制。

1. 特点与应用背景

CAN 的几个典型特点：

差分传输：抗干扰能力强
多主通信：多个节点可共享同一总线
优先级仲裁：通过报文 ID 决定先发谁
错误检测较完整：有 CRC、ACK、位填充、帧检查等机制

常见场景有汽车电子、工业控制、医疗设备等。

2. 先分清几组常见说法

经典 CAN（Classical CAN）：单帧数据最长 8 字节
CAN FD（Flexible Data-Rate）：支持更长数据段和更高数据阶段速率
CAN 2.0A / 2.0B：常见旧写法；通常可理解为 2.0A 主要对应 11 位标准帧，2.0B 支持 29 位扩展帧

⚠️ 注意：标准帧 / 扩展帧说的是 ID 长度；经典 CAN / CAN FD 说的是协议发展阶段，这两组概念不要混在一起。

3. CAN 的核心概念

概念	含义	重点记忆
标准帧	11 位 ID	常见、开销更小
扩展帧	29 位 ID	可表示更多报文类型
显性位	逻辑 0	仲裁里更“强”
隐性位	逻辑 1	遇到显性位会失败
ACK	应答位	至少有一个节点正确接收才会响应
滤波器	决定接收哪些 ID	提高处理效率
FIFO	接收缓存队列	常用 FIFO0 / FIFO1
Mailbox	发送邮箱	发送缓存单元

4. CAN 数据帧格式

经典 CAN 中，标准数据帧最常见，可简化理解为：

SOF -> ID -> RTR -> IDE -> r0 -> DLC -> DATA -> CRC -> ACK -> EOF

CAN数据帧格式

4.1 标准数据帧字段总览

字段	英文全称	位数	主要作用	关键说明
SOF	Start of Frame	1	帧起始	1 位显性位，表示一帧开始
ID	Identifier	11	标识报文并参与仲裁	ID 越小，优先级越高
RTR	Remote Transmission Request	1	区分数据帧与远程帧	`0`=数据帧，`1`=远程帧
IDE	Identifier Extension	1	区分标准帧与扩展帧	标准帧中该位用于标识标准格式
r0	Reserved Bit	1	保留位	经典 CAN 中通常保留
DLC	Data Length Code	4	表示数据长度	经典 CAN 取值 `0~8`
DATA	Data Field	0~8 字节	有效载荷	真正需要传输的数据内容
CRC	Cyclic Redundancy Check	15+1	差错检测	含 CRC 序列和 CRC 界定符
ACK	Acknowledge	1+1	接收确认	接收方在当前帧里的位级回应；至少 1 个节点正确收到后，会在 ACK Slot 把总线拉成显性位
EOF	End of Frame	7	帧结束	7 位隐性位，表示该帧结束

4.2 常见帧类型

帧类型	含义	说明
数据帧	真正承载数据	最常用
远程帧	请求对方发送数据	自己不带数据
错误帧	节点检测到通信错误时发出	用于通知本次通信无效
过载帧	用于延迟下一帧发送	基础阶段了解即可

4.3 看一帧报文先看什么

平时看报文，通常先看这 3 个字段：

ID：表示报文类型，也决定优先级
DLC：表示数据长度
DATA：实际数据内容

扩展帧的基本思路和标准帧一致，只是把 ID 从 11 位扩展到 29 位。它只是 ID 更长，不等于 CAN FD。

5. CAN 的基础硬件认识

5.1 CAN 控制器与 CAN 收发器

模块	作用
CAN 控制器	组帧、仲裁、错误检测、滤波、收发缓存管理
CAN 收发器	在 MCU 逻辑电平和 CAN 差分信号之间做转换

很多 MCU 只集成 CAN 控制器，不包含物理层收发器，所以接实际总线时通常还要外接 CAN 收发器。

CAN总线收发模块

常见收发器：

TJA1050
MCP2551
SN65HVD230

5.2 总线连接方式

CAN总线连接示意图

MCU(CAN_TX/CAN_RX)
       │
       ▼
  CAN 收发器
       │
  CAN_H   CAN_L
       │
  ===== 总线 =====

总线两端通常各接一个 120Ω 终端电阻，作用主要是：

阻抗匹配
抑制信号反射
提高信号完整性

💡 一句话记忆

两端各 120Ω，中间节点一般不加。

6. CAN 为什么能自动分优先级

CAN 的关键机制是仲裁。

6.1 显性位、隐性位与线与效果

在 CAN 总线上：

显性位 = 0
隐性位 = 1

它在逻辑效果上类似线与：

只要有节点发显性位 0，总线就是显性位 0
只有所有节点都发隐性位 1，总线才是隐性位 1

直接记：0 会覆盖 1。

6.2 发送并回读

CAN 节点发送时会边发边回读总线。

如果某个节点：

自己发的是隐性位 1
回读到的却是显性位 0

就说明别的节点优先级更高，当前节点立即退出仲裁。

6.3 为什么 ID 越小优先级越高

ID 是逐位参与仲裁的，而仲裁依赖：

显性位 0 会覆盖隐性位 1
节点会实时回读总线状态

所以更早出现显性位 0 的报文更容易保住仲裁权。

例如：

0x100 优先级高于 0x200
ID 数值越小，优先级越高

6.4 什么叫非破坏性仲裁

多个节点同时发时：

胜出的节点继续正常发送
失败的节点立即退出
已发出的有效位流不会被破坏

这就是非破坏性仲裁。

💡 记忆口诀

谁先保住显性位，谁继续发；谁发隐性却读到显性，谁退出。

7. 相关概念：位填充、错误状态、滤波器

7.1 同步与位填充

CAN 没有独立时钟线，节点只能靠各自本地时钟工作。若一帧里长期没有电平跳变，采样点就可能慢慢漂移。

所以 CAN 要解决两个问题：

一帧开始时先对齐时间基准
传输过程中如果有漂移，还要继续修正

对应机制：

硬同步：通常在检测到 SOF 边沿时进行
再同步：后续检测到边沿时继续微调采样点
位填充：连续 5 个相同位后，自动插入 1 个相反位，用来制造边沿

位填充规则被破坏，就会判定为 Stuff Error。

💬 一句话对比：I2C 靠时钟线，CAN 靠边沿，USART 靠波特率。

7.2 错误状态

CAN 节点会根据错误计数器进入不同状态：

Error Active：正常工作，能主动报错
Error Passive：还能通信，但行为受限
Bus-Off：错误太多，被强制退出总线

这样可以避免异常节点一直拖垮整条总线。

7.3 滤波器

CAN 是广播式通信，总线上所有节点都能看到报文，但并不是所有报文都要处理。

所以 MCU 通常会用滤波器筛选自己关心的 ID，例如：

只接收 0x123
只接收某一类 ID 范围

8. CAN 的优点与局限

8.1 优点

抗干扰强
多节点共享总线
自带优先级仲裁
错误检测机制较完整
可靠性高，适合工业与汽车场景

8.2 局限

经典 CAN 单帧数据只有 8 字节
速率和距离存在权衡
调试门槛高于 UART
工程上还要考虑收发器、终端电阻、滤波器、波特率等问题

9. 常见问题整理

9.1 CAN 和 UART / SPI / I2C 的区别

CAN 不追求最简单，也不追求最高速，重点是高可靠、多主通信和仲裁机制。

9.2 120Ω 终端电阻的作用

作用就是阻抗匹配，减少反射，保证信号完整性，所以总线两端通常各接一个 120Ω 电阻。

9.3 为什么适合汽车和工业控制

因为它同时有：

差分传输带来的抗干扰能力
多主仲裁带来的实时性
错误检测机制带来的可靠性

10. 速记版

📋 速记

物理层：CAN_H / CAN_L 差分信号
硬件结构：CAN 控制器 + CAN 收发器 + 两端 120Ω
优先级规则：ID 越小，优先级越高
经典 CAN 数据长度：最大 8 字节
ACK：接收方在当前帧里的位级回应，不是额外再回一帧
同步方式：靠边沿，不靠独立时钟线
核心可靠性来源：差分传输 + 仲裁机制 + CRC / ACK / 位填充

STM32 配置、接线、代码、中断和调试内容可单独整理为 CAN 实战篇。