CAN 总线的硬件实现

要理解 CAN 总线的硬件实现，首先需要了解 CAN 通信的基本物理层和控制器的工作原理。CAN 硬件主要由以下几个关键部分组成：

1. CAN 控制器：用于生成和解析 CAN 数据帧。
2. CAN 收发器：用于电平转换，确保 CAN 控制器的逻辑信号能在 CAN 总线上可靠传输。
3. CAN 总线：CAN 通信的物理线路，通常由两根差分信号线构成（CAN_H 和 CAN_L）。
4. 终端电阻：在 CAN 总线两端用于消除信号反射和确保总线的正确电气特性。

1. CAN 总线的组成

CAN_H 和 CAN_L

• CAN_H（CAN High） 和 CAN_L（CAN Low） 是 CAN 总线的两根差分信号线。
• 通过这两条线，CAN 以差分信号的形式进行数据传输。
• 在空闲状态下，CAN_H 和 CAN_L 电压是相等的，通常在 2.5V 左右。
• 在传输数据时，CAN_H 和 CAN_L 之间产生差分电压：
  • 显性位（Dominant bit）：CAN_H 比 CAN_L 电压高约 2V，CAN_H 为 3.5V，CAN_L 为 1.5V。
  • 隐性位（Recessive bit）：CAN_H 和 CAN_L 电压相同，通常在 2.5V。

差分信号的好处是具有强抗干扰能力，即使在长距离传输中，CAN 通信也能保持稳定和可靠。

终端电阻

• 终端电阻通常为120Ω，放置在 CAN 总线的两端，主要作用是消除信号反射并确保总线的电气稳定性。
• CAN 总线必须在两端各接一个终端电阻，以确保差分信号的完整性和信号传输的稳定性。

2. CAN 控制器

CAN 控制器负责处理 CAN 数据帧的生成、解析、错误检测等高级功能。它位于 MCU（微控制器）或专用 CAN 控制器芯片上。

功能：

• 数据帧生成：根据应用程序的指令，CAN 控制器生成 CAN 数据帧（包括起始位、标识符、数据字段、校验码、ACK 等部分）。
• 仲裁机制：CAN 控制器自动处理总线的仲裁，确定优先级高的节点可以继续发送数据，优先级低的节点则等待。
• 错误检测：CAN 控制器可以检测数据帧中的错误（如 CRC 校验错误、位错误等），并负责重传数据。
• 接收和解析数据：当 CAN 总线上有数据时，CAN 控制器会将数据解码，并通知微控制器。
• FIFO 缓冲区：控制器一般带有发送和接收的 FIFO 缓冲区，确保高效处理数据传输。

典型的 CAN 控制器：

• 内置于 MCU：许多现代微控制器（如 STM32、PIC、NXP 等）内置了 CAN 控制器模块，这些控制器可以直接与 CAN 收发器连接进行通信。
• 外部 CAN 控制器：在一些情况下，可以使用外部的 CAN 控制器芯片（如 MCP2515）通过 SPI 接口与微控制器通信。

3. CAN 收发器（Transceiver）

CAN 收发器负责将 CAN 控制器的逻辑信号（TX 和 RX）转换为 CAN 总线上的差分信号（CAN_H 和 CAN_L），并且将 CAN 总线上的信号转换回逻辑信号。

CAN 收发器的主要功能：

• 电平转换：CAN 控制器的 TX 引脚输出的是标准逻辑电平（0V 或 3.3V/5V），而 CAN 总线上的信号是差分电平（CAN_H 和 CAN_L），收发器负责将它们进行转换。
• 抗干扰：CAN 收发器通过差分信号传输数据，具有较强的抗干扰能力，可以确保即使在长距离或电气噪声环境下，CAN 通信仍然可靠。
• 总线驱动：CAN 收发器具备将信号驱动到总线上的能力，同时能够从总线上读取信号并传输回控制器。

典型的 CAN 收发器：

• MCP2551：一种常用的 CAN 收发器，用于将 CAN 控制器的逻辑信号转换为差分信号。
• TJA1040、TJA1050：NXP 的 CAN 收发器芯片，具有较强的抗噪声能力，常用于工业和汽车应用中。

CAN 收发器连接：

• TX 和 RX 引脚：CAN 收发器通过两个引脚与 CAN 控制器连接，TX（发送）和 RX（接收）。
• CAN_H 和 CAN_L：CAN 收发器通过 CAN_H 和 CAN_L 两个引脚连接到 CAN 总线。

4. 硬件连接图

典型的 CAN 硬件实现如下图所示：

+-----------------------------------+
|                                   |
|       微控制器（MCU）             |
|                                   |
|  +----------------------------+  |
|  | CAN 控制器（内置或外部）    |  |
|  +----------------------------+  |
|           |        |               |
|           TX       RX              |
+-----------------------------------+
            |        |
            |        |
+---------------------------+      +---------------------------+
|    CAN 收发器              |      |    CAN 收发器              |
|                            |      |                            |
|        CAN_H --------------+------+-------------- CAN_H        |
|        CAN_L --------------+------+-------------- CAN_L        |
+---------------------------+      +---------------------------+
            |                                |
            +--------------------------------+
               CAN 总线（带有终端电阻）

• MCU 通过 CAN 控制器的 TX 和 RX 引脚与 CAN 收发器连接，收发器负责将这些信号转换为 CAN_H 和 CAN_L 信号，在 CAN 总线上传输。
• CAN 总线两端通常各接一个 120Ω 的终端电阻，以保证信号质量。

5. CAN 硬件工作流程

1. 数据准备：

   • 应用程序通过 MCU（或 CAN 控制器）准备要发送的数据，并通过 CAN 控制器的 TX 引脚发送信号给 CAN 收发器。

2. 发送数据：

   • CAN 收发器将来自 TX 的信号转换为差分信号，并在 CAN_H 和 CAN_L 线路上发送数据。

3. 总线仲裁：

   • 如果多个节点同时发送数据，CAN 控制器的仲裁机制会通过比较标识符优先级来确定谁能优先发送，优先级低的节点自动等待。

4. 接收数据：

   • 接收方通过 CAN 收发器从 CAN_H 和 CAN_L 线路接收到差分信号，收发器将差分信号转换为标准的逻辑电平，并将其传递给 CAN 控制器的 RX 引脚。

5. 数据解析：

   • CAN 控制器解析接收到的 CAN 帧，并将有效数据传递给 MCU 的应用程序。

6. 错误检测与处理：

   • 如果在传输过程中检测到错误（如位错误、CRC 错误），CAN 控制器负责重新传输数据帧，保证数据的完整性。

6. CAN 硬件中的关键点

1. 抗干扰性：CAN 使用差分信号传输，抗干扰能力强，这使得它在噪声环境下（如汽车电子和工业现场）具有良好的性能。

2. 总线负载能力：CAN 支持多个节点（理论上最多 120 个节点）挂接到同一总线，节点之间无需地址配置，通过 CAN 标识符进行消息过滤。

3. 硬件设计简化：CAN 硬件设计简单，通常只需要一个 CAN 收发器和总线上的终端电阻即可完成硬件部分的设计。

总结

CAN 总线的硬件实现主要依赖于 CAN 控制器 和 CAN 收发器 的协作。CAN 控制器负责生成、解析和管理 CAN 帧，而 CAN 收发器则负责信号的电平转换和传输。在实际硬件设计中，终端电阻是必不可少的，用于保证总线的电气特性。CAN 硬件通过差分信号传输，具备高抗干扰能力和高可靠性，适用于汽车、工业自动化等领域的多节点通信系统。