参考文章：
- CAN总线入门（硬件部分）。来源于记得诚电子设计 ，作者诚哥
- CAN入门书。瑞萨电子
1. CAN 是什么？
CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要， 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后， CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
现在， CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
下图是车载网络的构想示意图。 CAN 等通信协议的开发，使多种 LAN 通过网关进行数据交换得以实现。
1.1 CAN总线的作用
在汽车上，CAN总线的作用就是把不同的部件连接起来，然后这些部件都执行同一套标准协议，这样的好处是兼容性高，信息可以可靠共享，并且能减少整车的线束数量。
把汽车比如成人体，那CAN总线就是神经系统，电子控制单元（ECU）就是身体的一部分，身体是由多个ECU组成的，各个ECU之间通过神经系统进行通信，一个部分感知到的信息可以与另一部分共享。
简单来说，CAN总线具备以下优点：
- 简单低成本：ECU通过单个CAN系统进行通信，而不是直接的复杂模拟信号线通信，这样减少了错误，重量，接线和成本。
- 完全集中：CAN总线提供了一个接入点，可以与所有网络ECU进行通信，——支持集中诊断，数据记录和配置。
- 稳定：CAN总线具有强大的抗电干扰和抗电磁干扰能力，非常适合对安全要求严格的应用（例如车辆）。
- 高效：通过ID对CAN帧进行优先级排序，以便优先级最高的数据可以立即访问总线，而不会引起其他帧的中断。
1.2 CAN总线拓扑图
下图是CAN总线拓扑图。
1.3 CAN的节点硬件构成
CAN总线节点的硬件构成方案有两种：
- MCU控制器 + 独立CAN控制器 + CAN收发器：独立CAN控制器如SJA10000、MCP2515。
- 带有CAN控制器的MCU + CAN收发器：目前，市场上带有CAN控制器的MCU如P87C591、LPC2294、C8051F340等。
两种方案的节点构成都需要通过CAN收发器同CAN总线相连，常用的CAN收发器有PCA82C250、PCA82C251、TJA1050、TJA1040等。
两种方案的节点构成各有利弊：
- 第一种方案编写的CAN程序是针对独立CAN控制器的，程序可移植好，编写好的程序可以方便地移植到任意的MCU。但是由于采用了独立的CAN控制器，占用了MCU的I/O资源，电路也变得复杂。
- 第二种方案编写的CAN程序是针对特定选用的MCU。MCU控制器中集成了CAN控制器单元，硬件电路变得简单些。但是程序编写好后不可以移植。
CAN总线节点的硬件构成如下图所示。
1.3.1 CAN控制器的作用
CAN控制器一方面接收收发器的数据，进行解析后发送给MCU；另一方面接收MCU的指令数据，然后发送给CAN收发器。
1.3.2 CAN收发器的作用
顾名思义，收发器既可以收，也可以发，收是接收CAN总线上的差分数据，将数据转换为TTL电平，发送给控制器；发是将CAN控制器的TTL电平信号转换为差分信号进行总线数据传输。
1.4 CAN的物理层特征
CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
显性电平对应逻辑：0（CAN_H和CAN_L之差为2V左右）
隐性电平对应逻辑：1（CAN_H和CAN_L之差为0V）
显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。
1.4.1 120Ω终端电阻的作用
高频信号传输时，信号波长相对传输线较短，信号在传输线终端会形成反射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻，使信号到达传输线末端后不反射。
对于低频信号则不用CAN总线两端必须连接终端电阻才可以正常工作，终端电阻应该与通讯电缆的阻抗相同，典型值为120欧姆，其作用是匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性及可靠性。
终端电阻并不都是120Ω，以下是ISO 11898协议的推荐值。
2. CAN的特点
2.1 多主控制
在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。
最先访问总线的单元可获得发送权（CSMA/CA 方式）。
多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权。
2.2 消息的发送
在 CAN 协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。 ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
2.3 系统的柔软性
与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
2.4 通信速度
根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。
在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。
2.5 远程数据请求
可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。
2.6 错误检测功能·错误通知功能·错误恢复功能
错误检测功能：所有的单元都可以检测错误。
错误通知功能：检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元。
错误恢复功能：正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止。
2.7 故障封闭
CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
2.8 连接节点多
CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。
2.9 速度快，距离远
最高速度1Mbps（距离 < 40m）
最远距离10Km（速率 < 5Kbps）
3. 错误
3.1 错误状态的种类
3.1.1 主动错误状态
主动错误状态是可以正常参加总线通信的状态。
处于主动错误状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。
3.1.2 被动错误状态
被动错误状态是易引起错误的状态。
处于被动错误状态的单元虽能参加总线通信，但为不妨碍其它单元通信，接收时不能积极地发送错误通知。
处于被动错误状态的单元即使检测出错误，而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的。
处于被动错误状态的单元检测出错误时，输出被动错误标志。
另外，处于被动错误状态的单元在发送结束后不能马上再次开始发送。在开始下次发送前，在间隔帧期间内必须插入“延迟传送”(8 个位的隐性位)。
3.1.3 总线关闭态
总线关闭态是不能参加总线上通信的状态。
信息的接收和发送均被禁止。
3.1.4 状态的转换
这些状态依靠发送错误计数和接收错误计数来管理，根据计数值决定进入何种状态。
错误状态和计数值的关系如表 1 及图 4 所示。
3.2 错误计数值
发送错误计数值和接收错误计数值根据一定的条件发生变化。
错误计数值的变动条件如下表所示。
一次数据的接收和发送可能同时满足多个条件。
错误计数器在错误标志的第一个位出现的时间点上开始计数。
