🔥作者简介： 一个平凡而乐于分享的小比特，中南民族大学通信工程专业研究生，研究方向无线联邦学习

🎬擅长领域：驱动开发，嵌入式软件开发，BSP开发

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✨收录专栏：通信协议，本专栏为记录项目中用到的知识点，以及一些硬件常识总结

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在这里插入图片描述CAN通信协议详解：工业通信的“神经系统”一、CAN协议核心思想图解在这里插入图片描述二、CAN协议诞生背景汽车电子的革命代码语言：javascript复制1980年代汽车电子问题：

┌─────────────────────────────────────────┐

│传统布线方式： │

│ 每个传感器→独立线束→ECU │

│ 问题：线束重量↑、成本↑、可靠性↓ │

│ │

│宝马7系（1986年）： │

│ 线束总长度：4公里 │

│ 线束重量：100公斤 │

│ 连接器数量：2000个 │

└─────────────────────────────────────────┘

解决方案：CAN总线

┌─────────────────────────────────────────┐

│CAN总线方式： │

│ 所有设备→共享双绞线→所有ECU │

│ 优势：线束重量↓80%、成本↓、可靠性↑ │

│ │

│现代汽车典型： │

│ 线束总长度：1.5公里 │

│ 线束重量：20公斤 │

│ 连接器数量：500个 │

└─────────────────────────────────────────┘三、CAN协议基础架构1. 物理层连接代码语言：javascript复制CAN总线典型拓扑结构：

┌─────────────┐

│ 120Ω │

│终端电阻 │

└─────┬───────┘

│

┌──────────┴──────────┐

│ 双绞线(CAN_H/CAN_L) │

└──────────┬──────────┘

┌──────┼──────┐

┌───┴──┐ ┌─┴──┐ ┌─┴──┐

│ECU1 │ │ECU2│ │ECU3│

│CAN │ │CAN │ │CAN │

└──────┘ └────┘ └────┘

CAN信号电平（差分）：

隐性(逻辑1)：CAN_H ≈ CAN_L ≈ 2.5V → 电压差≈0V

显性(逻辑0)：CAN_H ≈ 3.5V, CAN_L ≈ 1.5V → 电压差≈2V

优势：抗干扰强，噪声同时影响两根线，差分抵消2. 帧结构详解代码语言：javascript复制标准CAN帧（11位标识符）结构：

┌───┬───┬───┬─────┬───┬──────┬──────┬───┬───┬───┐

│SOF│标识符│RTR│IDE │DLC│ 数据场 │ CRC │ACK│EOF│IFS│

├───┼───┼───┼─────┼───┼──────┼──────┼───┼───┼───┤

│1 │11 │1 │1(r0)│4 │0-8字节│15 │2 │7 │3 │

└───┴───┴───┴─────┴───┴──────┴──────┴───┴───┴───┘

单位：bit

扩展CAN帧（29位标识符）结构：

┌───┬───┬───┬─────┬───┬───┬─────┬───┬──────┬──────┬───┬───┬───┐

│SOF│标识符│SRR│IDE │标识符│RTR│DLC │ 数据场 │ CRC │ACK│EOF│IFS│

│ │11位 │ │1=1 │18位 │ │ │0-8字节│ │ │ │ │

├───┼───┼───┼─────┼───┼───┼─────┼───┼──────┼──────┼───┼───┼───┤

│1 │11 │1 │1 │18 │1 │4 │0-64│15 │2 │7 │3 │ │

└───┴───┴───┴─────┴───┴───┴─────┴───┴──────┴──────┴───┴───┴───┘

各字段说明：

SOF(Start of Frame): 帧起始，同步用

标识符(ID): 消息优先级，值越小优先级越高

RTR(Remote Transmission Request): 远程帧请求

IDE(Identifier Extension): 标识符扩展位

DLC(Data Length Code): 数据长度码(0-8字节)

数据场(Data Field): 实际传输数据

CRC(Cyclic Redundancy Check): 循环冗余校验

ACK(Acknowledge): 应答场

EOF(End of Frame): 帧结束

IFS(Inter Frame Space): 帧间间隔四、CAN协议核心设计思想1. 非破坏性仲裁机制（CAN的灵魂）代码语言：javascript复制仲裁过程示例：

节点A发送ID=0x123 (二进制:0001 0010 0011)

节点B发送ID=0x456 (二进制:0100 0101 0110)

节点C发送ID=0x789 (二进制:0111 1000 1001)

仲裁过程：

第1位：A=0(显性), B=0(显性), C=0(显性) → 总线=0，都继续

第2位：A=0(显性), B=1(隐性), C=1(隐性) → 总线=0，B和C检测到冲突

第3位：A=0(显性) → A赢得仲裁

结果：

A继续发送完整消息，B和C转为接收模式

A发送完成后，B和C重新尝试发送

▲ 关键：显性位(0)覆盖隐性位(1)

▲ 优势：无数据丢失，优先级高的消息总能先发送2. 基于消息的通信（而非基于地址）代码语言：javascript复制传统地址寻址 vs CAN消息标识：

传统方式（如I2C）：

主设备：给从设备3（地址0x03）发送数据

┌─0x03─→ 从设备1?否

├─0x03─→ 从设备2?否

└─0x03─→ 从设备3?是 → 接收数据

CAN方式：

所有节点发送和接收"车速消息"(ID=0x100)

节点A(发动机)：发布车速=80km/h

所有节点同时接收并过滤：

节点B(仪表盘)：我需要ID=0x100 → 显示80km/h

节点C(ABS)：我需要ID=0x100 → 用于计算

节点D(车窗)：我不需要ID=0x100 → 忽略

优势：新设备加入无需重新配置地址3. 强大的错误处理机制代码语言：javascript复制CAN的错误检测层次：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 第五层：错误恢复 │

│ 自动恢复或节点脱离总线 │

├─────────────────────────────────────┤

│ 第四层：错误计数与状态管理 │

│ 错误计数器：TEC/REC │

│ 三种状态：主动错误/被动错误/离线 │

├─────────────────────────────────────┤

│ 第三层：错误帧发送 │

│ 主动错误标志(6个显性位) │

│ 被动错误标志(6个隐性位) │

├─────────────────────────────────────┤

│ 第二层：错误检测 │

│ 1. 位错误 │ 发送≠接收 │

│ 2. 填充错误 │ 5个相同位后无填充│

│ 3. CRC错误 │ 校验和错误 │

│ 4. 格式错误 │ 固定格式位错误 │

│ 5. ACK错误 │ 无应答 │

├─────────────────────────────────────┤

│ 第一层：物理层错误 │

│ 总线断开、短路等 │

└─────────────────────────────────────┘

错误状态机：

┌─────────┐ TEC/REC<127 ┌─────────┐

│主动错误 │◄────────────┤被动错误 │

│状态 │ TEC>127 │状态 │

└────┬────┘ └────┬────┘

│ TEC>255 │ TEC>255且持续

↓ ↓

┌─────────┐ ┌─────────┐

│离线状态 │ │离线状态 │

│(Bus Off)│◄─────────────┤ │

└─────────┘ 恢复过程 └─────────┘五、CAN协议详细对比CAN协议版本对比特性

CAN 2.0A

CAN 2.0B

CAN FD

CAN XL

标准

1991

1995

2012

2021

ID长度

11位

11/29位

11/29位

11/29位

最大速率

1 Mbps

1 Mbps

8 Mbps

10+ Mbps

数据长度

0-8字节

0-8字节

0-64字节

0-2048字节

主要改进

基础标准

扩展帧

可变速率+大数据

超大数据+高速

兼容性

兼容B

兼容A

兼容2.0

兼容FD

典型应用

简单控制

汽车网络

汽车诊断

未来汽车

六、CAN协议性能参数传输速率与距离关系代码语言：javascript复制CAN总线波特率 vs 最大距离（双绞线）：

1 Mbps → █████ 40米

500 Kbps → █████████ 100米

250 Kbps → ██████████████ 250米

125 Kbps → ███████████████████ 500米

50 Kbps → █████████████████████████ 1000米

20 Kbps → ███████████████████████████████ 5000米

关键公式：总线长度 ∝ 1/波特率消息延迟分析代码语言：javascript复制典型1Mbps CAN网络延迟计算：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 最坏情况延迟时间 │

│ │

│ 1. 仲裁等待： │

│ 最低优先级消息等待所有高优先级 │

│ 假设有N个更高优先级消息 │

│ 等待时间 = N × 消息传输时间 │

│ │

│ 2. 消息传输时间： │

│ 标准帧(8字节数据)： │

│ - 帧头：47位 │

│ - 数据：64位 │

│ - CRC+ACK+EOF：24位 │

│ - 位填充：约18位（10%） │

│ 总计：~153位 │

│ 时间：153μs @ 1Mbps │

│ │

│ 3. 总线负载影响： │

│ 30%负载：平均延迟增加50% │

│ 70%负载：平均延迟增加300% │

└─────────────────────────────────────┘七、实际应用场景场景1：汽车动力总成系统代码语言：javascript复制CAN在汽车发动机控制的应用：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 发动机控制单元(ECU) │

│ 发布：ID=0x100 发动机转速=3000rpm │

│ ID=0x101 水温=90℃ │

│ ID=0x102 油门位置=60% │

├─────────────────────────────────────┤

│ 变速箱控制单元(TCU) │

│ 发布：ID=0x200 当前档位=3 │

│ 接收：发动机转速→计算换挡时机 │

├─────────────────────────────────────┤

│ 仪表盘 │

│ 接收：转速→显示转速表 │

│ 水温→显示水温警告 │

├─────────────────────────────────────┤

│ ABS系统 │

│ 接收：发动机转速→防抱死计算 │

└─────────────────────────────────────┘

消息优先级安排（ID值越小优先级越高）：

0x010: 刹车信号（最高优先级）

0x100: 发动机转速

0x101: 水温

0x200: 档位信息

0x300: 车门状态（最低优先级）场景2：工业生产线控制代码语言：javascript复制CANopen在工业机械臂控制：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 主控制器(PLC) │

│ 发送：PDO1: ID=0x201 目标位置 │

│ PDO2: ID=0x202 运动速度 │

│ 接收：PDO3: ID=0x301 当前位置 │

│ PDO4: ID=0x302 报警状态 │

├─────────────────────────────────────┤

│ 伺服驱动器1 │

│ 接收：目标位置→控制电机 │

│ 发布：当前位置→反馈给PLC │

├─────────────────────────────────────┤

│ 伺服驱动器2 │

│ 接收：目标位置→控制电机 │

│ 发布：当前位置→反馈给PLC │

├─────────────────────────────────────┤

│ I/O模块 │

│ 发布：ID=0x401 限位开关状态 │

│ ID=0x402 紧急停止状态 │

└─────────────────────────────────────┘

CANopen对象字典示例：

索引0x2000: 位置控制参数

索引0x2001: 速度控制参数

索引0x6000: 接收PDO1映射

索引0x6001: 发送PDO1映射八、CAN高层协议对比协议

CANopen

DeviceNet

J1939

CANaerospace

起源

欧洲，CIA

美国，ODVA

美国，SAE

航空电子

应用领域

工业自动化

工业设备

商用车

航空航天

网络管理

NMT

显式消息

无

专用NM

对象模型

对象字典

对象模型

参数组

消息目录

寻址方式

节点ID

节点ID

名称+地址

节点ID

最大数据

8字节

8字节

8字节

8字节

典型应用

电机控制

传感器网络

卡车控制

飞机系统

优势

灵活强大

简单易用

车辆专用

高可靠

九、CAN系统设计要点1. 物理层设计要点代码语言：javascript复制正确的CAN网络布线：

正确做法 错误做法

┌──────────────┐ ┌──────────────┐

│ 终端电阻120Ω │ │ 无终端电阻 │

│ 在两端 │ │ │

└──────┬───────┘ └──────┬───────┘

│ │

┌──────┴───────┐ ┌──────┴───────┐

│ 主干线等长 │ │ 支线过长 │

│ 双绞线 │ │ (>0.3m) │

└──────┬───────┘ └──────┬───────┘

┌──────┴───────┐ ┌──────┴───────┐

│ 节点靠近主线 │ │ 星型连接 │

│ 支线<0.3m │ │ 反射严重 │

└──────────────┘ └──────────────┘

关键参数计算：

1. 终端电阻值：R = √(L/C)

其中L为导线电感，C为电容

典型值：120Ω（汽车）、100Ω（工业）

2. 最大节点数：考虑驱动器负载能力

CAN收发器驱动能力：通常45-60Ω

最小负载电阻 = 120Ω/2 = 60Ω

理论最大节点数 = 60Ω/每个节点最小负载2. 软件设计模式代码语言：javascript复制// CAN消息处理状态机示例

typedef enum {

CAN_STATE_IDLE,

CAN_STATE_TX_PENDING,

CAN_STATE_TX_SUCCESS,

CAN_STATE_TX_ERROR,

CAN_STATE_RX_READY

} CAN_State_t;

// 消息优先级队列设计

typedef struct {

uint32_t can_id; // CAN标识符

uint8_t data[8]; // 数据

uint8_t dlc; // 数据长度

uint32_t timestamp; // 时间戳

uint8_t priority; // 计算出的优先级

} CAN_Msg_t;

// 优先级计算：ID值越小优先级越高

uint8_t calculate_priority(uint32_t can_id) {

// 标准帧：11位ID

// 扩展帧：29位ID，但通常只使用部分位

return (can_id & 0x7FF); // 取低11位

}

// 消息过滤配置（硬件过滤器）

void setup_can_filters(void) {

// 方法1：单ID过滤

CAN_FilterTypeDef filter;

filter.FilterIdHigh = 0x100 << 5; // ID高16位

filter.FilterIdLow = 0x0000; // ID低16位

filter.FilterMaskIdHigh = 0x7FF << 5; // 全匹配

filter.FilterMaskIdLow = 0x0000;

// 方法2：ID范围过滤

filter.FilterIdHigh = 0x100 << 5; // 起始ID

filter.FilterIdLow = 0x200 << 5; // 结束ID

filter.FilterMaskIdHigh = 0x0000; // 不检查高位

filter.FilterMaskIdLow = 0x0000;

}十、故障诊断与调试常见问题及解决方法代码语言：javascript复制CAN网络常见故障树：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 通信失败 │

├─────────────────────────────────────┤

├─ 物理层问题（60%） │

│ ├─ 终端电阻缺失/错误值 │

│ ├─ 电缆短路/开路 │

│ ├─ 接地不良 │

│ └─ 节点距离过远 │

│ │

├─ 配置问题（30%） │

│ ├─ 波特率不匹配 │

│ ├─ ID冲突 │

│ ├─ 过滤器设置错误 │

│ └─ 帧格式不匹配 │

│ │

└─ 软件问题（10%） │

├─ 缓冲区溢出 │

├─ 超时处理不当 │

└─ 状态机错误 │调试工具与方法代码语言：javascript复制CAN调试工具链：

1. CAN分析仪（硬件）

- 监听模式：被动监听所有流量

- 注入模式：主动发送测试消息

- 触发功能：特定条件触发记录

2. 软件工具

- Wireshark + CAN插件

- CANalyzer/CANoe（专业）

- 自定义分析脚本

3. 诊断流程

┌─────────────┐

│ 检查物理连接 │

│ - 终端电阻 │

│ - 电缆通断 │

└──────┬──────┘

↓

┌─────────────┐

│ 检查信号质量 │

│ - 示波器波形 │

│ - 差分电压 │

└──────┬──────┘

↓

┌─────────────┐

│ 基础通信测试 │

│ - 回环测试 │

│ - 单节点测试 │

└──────┬──────┘

↓

┌─────────────┐

│ 协议分析 │

│ - 消息流 │

│ - 错误帧 │

└─────────────┘十一、CAN协议未来发展趋势1. CAN FD（Flexible Data-rate）代码语言：javascript复制CAN FD关键改进：

传统CAN限制： CAN FD突破：

├─ 最大速率1Mbps ├─ 仲裁段：1Mbps

├─ 固定速率传输 ├─ 数据段：最高8Mbps

├─ 最大8字节数据 ├─ 最大64字节数据

└─ 效率较低 └─ 效率提升300%

CAN FD帧结构：

┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐

│SOF│ID │RTR│IDE│FDF│BRS│ESI│DLC│数据│CRC│ACK│

├───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤

│1 │11 │1 │1 │1 │1 │1 │4 │0-512│0-21│2 │

└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

单位：bit2. CAN XL（下一代CAN）代码语言：javascript复制CAN XL主要特性：

┌─────────────────────────────────────┐

│ 超大容量：最多2048字节数据 │

│ 更高速度：10Mbps+ │

│ 兼容性：兼容CAN FD和CAN 2.0 │

│ 新特性：优先权提升、时间同步 │

└─────────────────────────────────────┘

应用场景：

- 自动驾驶传感器数据（摄像头、雷达）

- 车辆软件OTA更新

- 高带宽车载娱乐系统十二、总结与最佳实践CAN设计黄金法则在这里插入图片描述关键要点总结物理层是基础：正确的布线和终端电阻决定成败ID设计是艺术：合理的优先级分配确保实时性错误处理是保障：完善的错误恢复机制保证可靠性测试验证是关键：从单元测试到系统测试的全流程验证适用场景建议应用需求

推荐方案

理由

汽车控制网络

CAN 2.0B

成熟稳定、广泛支持

工业实时控制

CANopen

功能丰富、标准化

大数据传输

CAN FD

高效率、大容量

低成本简单应用

CAN 2.0A

简单易实现

未来车载网络

CAN XL

高带宽、向前兼容

CAN协议经过30多年发展，已成为工业控制领域的事实标准。理解其设计哲学和实现细节，能够帮助工程师设计出更可靠、更高效的分布式控制系统。随着CAN FD和CAN XL的发展，CAN协议将继续在汽车电子和工业自动化领域发挥重要作用。