CAN总线物理层
目录
一、CAN总线的分类
1、按通信速率分类
高速CAN（High-Speed CAN）：高速CAN的通信速率最高可达1Mbps，适用于需要快速数据传输的场合，如汽车引擎控制、刹车系统等关键部件之间的通信。在这些系统中，高速数据传输保证了实时性和系统响应的及时性。
低速CAN（Low-Speed CAN）：低速CAN的通信速率通常在125Kbps以下，用于对数据传输速度要求不高的场合，如汽车中的座椅控制、门窗控制等辅助系统。低速CAN的优势在于其低功耗和低成本，适用于对实时性要求不高的应用。
CAN XL是一种高度可扩展的通信技术，涉及比特率和数据字段的长度。其目标是实现高达10+Mbit/s的比特率，并针对面向区域的异构网络体系结构进行了优化，以最优的长度满足未来车载网络的要求。此外，CAN XL还提供了更大的数据字段和更高的可靠性。
2、按数据帧长度分类
经典CAN（CAN Standard）：经典CAN是最早定义的CAN协议，它规定了数据帧的最大长度为8字节。这种限制使得经典CAN在传输大量数据时效率较低，但适用于简单的通信需求。
扩展CAN（CAN FD）：作为CAN协议的一种扩展，CAN FD引入了灵活的数据速率和数据传输方式。CAN FD支持更大的数据包传输，最大数据帧长度可达64字节，同时通信速率也得到了提升，最高可达5Mbps。这使得CAN FD在高速、大数据量传输方面更具优势。
二、CAN总线的电气特性
1、高速CAN
在高速CAN（Controller Area Network）总线上，逻辑电平的表示是通过测量CAN_H和CAN_L两条线路之间的电压差来实现的。这两条线路在正常工作时，都相对于一个共同的参考点（通常是车身地或底盘地）有不同的电压。
当高速CAN总线上表现为显性电平（逻辑0）时：
CAN_H（High）的电压为3.5V，这是相对于参考点的电压。
CAN_L（Low）的电压为1.5V，也是相对于参考点的电压。
此时，CAN_H和CAN_L之间的电压差是2V（3.5V - 1.5V = 2V）。这个电压差是CAN总线判断为显性电平（逻辑0）的关键。在CAN通信中，显性电平用于表示数据的“0”位。
当高速CAN总线上表现为隐性电平（逻辑1）时：
CAN_H和CAN_L的电压都为2.5V，都是相对于参考点的电压。
此时，CAN_H和CAN_L之间的电压差是0V（2.5V - 2.5V = 0V）。这个电压差是CAN总线判断为隐性电平（逻辑1）的关键。在CAN通信中，隐性电平用于表示数据的“1”位。
2、低速CAN
在低速CAN总线上，逻辑电平的表示与高速CAN类似，也是通过测量CAN_H和CAN_L两条线路之间的电压差来实现的。不过，低速CAN的电压阈值和具体的电压值可能与高速CAN有所不同。
当低速CAN总线上表现为显性电平（逻辑0）时：
CAN_H（High）的电压为4V，这是相对于参考点的电压。
CAN_L（Low）的电压为1V，也是相对于参考点的电压。
此时，CAN_H和CAN_L之间的电压差是3V（4 - 1V = 3V）。这个电压差是低速CAN总线判断为显性电平（逻辑0）的关键。与高速CAN类似，显性电平用于表示数据的“0”位。
当低速CAN总线上表现为隐性电平（逻辑1）时：
CAN_H的电压为1.75V，这是相对于参考点的电压。
CAN_L的电压为3.25V，也是相对于参考点的电压。
此时，CAN_H和CAN_L之间的电压差是-1.5V（1.75V - 3.25V = -1.5V）。注意这里的电压差是负数，这在实际测量中意味着CAN_L的电压高于CAN_H的电压。这个负的电压差是低速CAN总线判断为隐性电平（逻辑1）的关键。与高速CAN类似，隐性电平用于表示数据的“1”位。
因此，低速CAN总线通过测量CAN_H和CAN_L之间的电压差来判断逻辑电平。显性电平（逻辑0）时电压差为正数，隐性电平（逻辑1）时电压差为负数。和高速CAN不同，低速CAN没有规定明确的电压差值，这使得低速CAN比高速CAN有更高的容错性。
三、CAN的网络拓扑结构
在CAN总线系统中，不同的拓扑结构对网络的性能、可靠性和扩展性有着重要影响。下面将详细介绍CAN总线的几种常见拓扑结构，并分析它们的优缺点。
1、线形拓扑结构（Linear Topology）
线形拓扑结构是最简单的CAN总线拓扑结构，所有设备都直接串联在一条直线上，形成一个单一的通信路径。每个节点通过总线电缆与相邻节点相连，数据从一端传输到另一端。
优点：
布线简单：只需要一条总线电缆连接所有设备，布线简单明了。
成本较低：由于不需要额外的连接设备或分支，因此成本相对较低。
维护方便：当出现故障时，可以通过简单的逐段排查来定位问题。
缺点：
通信距离受限：随着线路长度的增加，信号衰减和传输延迟会变得明显，限制了通信距离。
扩展性较差：在线形拓扑中，添加新节点需要改变现有布线，可能需要重新布线或更改现有布局。
单点故障风险：如果线路中的某个点出现故障，可能会导致整个网络中断。
2、星形拓扑结构（Star Topology）
星形拓扑结构中，所有设备都通过一个中央节点（通常是集线器或交换机）连接到CAN总线。每个节点都有一个独立的电缆连接到中央节点，形成一个星形结构。
优点：
易于扩展：通过添加新电缆和节点，可以轻松扩展网络。
节点独立性：每个节点与中央节点独立连接，一个节点的故障不会影响其他节点。
易于管理：中央节点可以集中管理所有通信，便于监控和维护。
通信效率高：由于每个节点都直接与中央节点相连，通信效率较高。
缺点：
中央设备风险：如果中央节点出现故障，整个网络可能会瘫痪。
成本较高：需要额外的中央设备和多个电缆连接，增加了成本。
布线复杂：每个节点都需要独立的电缆连接到中央节点，布线相对复杂。
3、树形拓扑结构（Tree Topology）
树形拓扑结构是线形和星形拓扑结构的结合。它有一个中央节点，但从中央节点延伸出多个分支，每个分支上又有多个节点。这种结构类似于树的形状，因此称为树形拓扑。
优点：
易于扩展：可以在分支上添加新节点，实现网络的扩展。
布线方便：可以利用现有的分支线路进行布线，减少布线难度。
通信效率高：由于每个节点都直接与上级节点相连，通信效率较高。
缺点：
通信质量不稳定：分支节点较多可能导致信号衰减和反射，影响通信稳定性。
故障排查困难：一旦出现故障，需要逐层排查，定位问题相对困难。
成本较高：虽然布线相对简单，但每个分支节点都需要独立的电缆连接，成本相对较高。
4、环形拓扑结构（Ring Topology）
环形拓扑结构中，所有设备都连接成一个闭环，形成一个环形通信路径。数据在环中单向或双向传输。
优点：
通信可靠性高：由于数据在环中传输，即使某个节点出现故障，通信仍然可以继续进行。
扩展性较好：可以通过在环中添加新节点来扩展网络。
缺点：
配置复杂：需要正确配置环形拓扑以确保数据正确传输。
故障隔离困难：如果环中出现故障，需要特殊的方法来确定故障位置。
通信效率受限：由于数据需要在环中传输一圈才能到达目标节点，通信效率相对较低。
