从零开始学习CAN协议：掌握车载通信标准


# 摘要
CAN (Controller Area Network) 协议作为车载网络和工业控制领域的关键通信技术，拥有丰富的层级结构和功能。本文首先介绍了CAN协议的基础概念以及其物理层和数据链路层的标准与特性。随后，探讨了CAN网络管理和应用层的实现原理与实践，重点分析了高级主题，包括CAN FD（Flexible Data-rate）与传统CAN 2.0的差异、安全特性和加密机制，以及网络配置与调试技巧。文章通过不同行业的应用案例，如汽车、工业自动化和医疗设备，展示了CAN协议的广泛应用。最后，提供了一系列学习资源和开发工具，帮助读者更深入地理解和掌握CAN协议。本文旨在为专业人士提供全面的CAN协议知识，支持他们在实际应用中有效利用该协议。

# 关键字
CAN协议；物理层；数据链路层；网络管理；应用层；安全特性；故障诊断

参考资源链接：[CANstress使用教程：快速接入与干扰模拟](https://wenku.csdn.net/doc/4bca2h3n0t?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. CAN协议基础概念

## 1.1 什么是CAN协议
CAN（Controller Area Network）协议是一种被广泛使用的、高可靠的通信协议，最初由德国Bosch公司在1980年代为汽车内部通信设计。在IT和自动化领域，CAN协议因其确定性和高效率，成为了工业网络通信的标准之一。

## 1.2 CAN协议的核心特征
CAN协议的核心特征包括其独特的非破坏性仲裁方法、优先级和错误检测机制。非破坏性仲裁确保在总线上多个设备同时发送数据时，不会发生冲突，且最高优先级的消息能够迅速传输，保障了实时性和系统稳定性。

## 1.3 CAN协议的应用场景
CAN协议广泛应用于汽车、工业自动化、医疗设备等领域。在这些环境中，CAN通过其有效率的数据传输、灵活的消息ID分配和强大的网络管理能力，支撑各种实时控制与监控任务。

在汽车行业中，CAN协议被用来实现各部件如引擎、ABS、仪表盘等的高效通信。在工业自动化中，CAN总线帮助机器人、传感器及其他控制设备进行快速数据交换。而在医疗设备领域，CAN协议确保了数据传输的准确性和即时性，为病患监控提供了强有力的后台支持。

# 2. CAN协议的物理层与数据链路层

## 2.1 物理层标准和特性

### 2.1.1 CAN总线的硬件组成

CAN总线的硬件组成主要包括两个部分：CAN控制器和CAN收发器。CAN控制器负责处理协议的逻辑部分，例如帧的构建、错误处理等；CAN收发器负责物理层的信号转换和传输。

在物理连接上，CAN总线的节点通过两线系统连接，即CAN_H和CAN_L，两者之间的差异电压表示信号的状态。每个节点都通过120欧姆的终端电阻连接到总线的两端，以减少信号的反射。

请注意，此图表仅为示例，实际设计中应参考最新的硬件设计规范。

### 2.1.2 信号传输原理与电气特性

在CAN协议中，信号的传输基于差分信号原理，这样可以提供较高的噪声免疫力。逻辑"0"和逻辑"1"的电平定义如下：

- 逻辑"0"（显性位）：CAN_H 比 CAN_L 高电平
- 逻辑"1"（隐性位）：CAN_L 和 CAN_H 电平相等或接近

其电气特性满足ISO 11898标准，规定了如最大电缆长度、节点数量、信号传播时间等参数。这一部分的知识对于设计CAN网络和故障排除至关重要。

## 2.2 数据链路层的功能与实现

### 2.2.1 帧结构与报文类型

CAN协议定义了四种帧类型：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧携带主要的通信数据，远程帧用于请求数据，错误帧在发现错误时发送，过载帧用于延迟下一个数据帧的发送。

数据帧结构如下：

1. 起始位（SOF）
2. 标识符（ID）和远程发送请求位（RTR）
3. 控制位（包括数据长度码DLC）
4. 数据字段
5. CRC序列和CRC界定符
6. 确认字段（ACK）和确认界定符（ACK界定符）

### 2.2.2 错误检测和处理机制

CAN协议使用多种机制来检测和处理错误。它们包括循环冗余检查（CRC）、帧检查、位填充、信息帧格式和确认检查。每个节点都会监控网络上的信息，并在检测到错误时，通过发送错误帧进行广播。

错误状态可以分为三个等级：错误激活（正常通信）、错误被动（接收到错误帧但未发送）和总线关闭（发送或接收太多错误帧）。

### 2.2.3 确认和仲裁过程

CAN协议使用独特的非破坏性仲裁机制来确保网络上不会发生数据冲突。在仲裁过程中，发送节点会比较发送的位和总线上检测到的位，如果不同，则立即停止发送并进入监听状态。

这一机制保证了即使在多节点同时发送时，优先级最高的消息也能被优先发送。优先级由标识符的前几位决定，ID越小的帧优先级越高。

// 伪代码表示CAN发送函数
void can_send(frame_t *frame) {
    // 检查总线是否空闲
    if (bus_is_free()) {
        // 发送帧起始位
        send_sof();
        // 发送帧ID和控制位
        send_id_and_control(frame->id, frame->control);
        // 发送数据和填充位
        for (int i = 0; i < frame->length; i++) {
            send_data(frame->data[i]);
            if (need_to_fill(frame->data[i])) {
                send_fill_bit();
            }
        }
        // 发送CRC和ACK
        send_crc_and_ack(frame->crc);
        // 检查是否仲裁成功
        if (check_arbitration()) {
            // 成功发送
            on_success_send();
        } else {
            // 仲裁失败，进入错误被动状态
            enter_error_passive_mode();
        }
    } else {
        // 总线繁忙，等待
        wait_for_bus_free();
    }
}

请记住，上述代码仅为示例逻辑，用于解释CAN协议中的帧发送过程。实际的CAN控制器会包含复杂的硬件逻辑来处理这些操作。

# 3. CAN协议的网络管理和应用层

## 3.1 网络管理的原理与实践

### 3.1.1 网络管理协议概述

网络管理是确保CAN总线网络稳定、高效运行的重要组成部分。在这一节中，我们将探讨CAN网络管理协议的关键方面，包括其目的、关键功能以及它如何帮助维持网络健康。CAN网络管理协议是负责监控总线活动、处理错误和故障，以及实施必要的网络恢复措施的一套规则和流程。

网络管理协议能够检测网络上的故障，并自动启动恢复程序，例如局部或全局的重新启动，以恢复正常操作。网络管理协议的操作通常分为几个阶段，包括网络监控、错误检测、故障界定和网络恢复。

### 3.1.2 故障界定和恢复策略

故障界定是指识别网络中发生的错误，并判断错误的严重程度的过程。CAN协议采用了一种容错机制，该机制可以有效地定位故障节点，从而避免了整个网络的崩溃。恢复策略是网络管理协议的另一个关键组成部分，用于在发生错误或故障时恢复CAN总线系统的正常运作。

恢复策略主要依赖于两种恢复方法：错误帧的使用和故障界定机制。错误帧用于在检测到错误时通知所有节点，而故障界定机制则用于对故障节点进行标识并采取相应的隔离措施。这些措施可以是临时的，如重置故障节点，或者是持久的，如将故障节点从网络中移除。

## 3.2 应用层