CAN总线的硬件结构、信号电平相关的基础知识

本文主要介绍CAN总线的硬件结构、信号电平等等硬件相关的基础知识。

总线结构

CAN总线的物理连接常见的是非屏蔽双绞线（UTP），线上传输的是差分信号。连接到CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），节点主要包括Host、Controller和Transceiver三部分。Host和Controller通常集成在MCU里面，CAN Controller负责处理协议相关功能。CAN Transceiver将控制器连接到外部传输媒介。  

高速CAN总线最高信号传输速率可达1Mbps，支持最长距离40m（CAN FD最高支持12Mbps，传输距离也就能到5m或者更短，一般也就是板间通讯才会使用这么高的波特率）。ISO 11898-2规定要求在高速CAN总线的两端安装端接电阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有125Kbps，因此ISO 11898-3没有要求端接。ISO 11898规定的CAN总线上最多32个节点。实际应用中要考虑到CAN总线收发器的性能，以及工作的CAN网络是高速CAN还是低速CAN。在传输距离方面，由于距离越大，信号时延也越大，为确保消息的正确采样，总线上的信号速率相应也得下降。

CAN Transceiver

CAN Transceiver包括CANH和CANL两根信号，CANH和CANL信号采用差分电平，这样可以取得更好的电磁兼容效果。

CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。

下图是高速CAN收发器的基本电路结构（MCP2551）。当两个晶体管都关断时，CANH和CANL上电压相同，且都为0.5*VCC ；而当两个晶体管都打开时，CANH 和 CANL上即存在一定的压差，且压差与负载电阻值相关。ISO 11898-2要求此时CANH和CANL压差在2V左右。

下图是CAN FD的电路框图（TCAN1044V)：

下图是低速CAN的电路框图（TJA1055）：

下图是SWC的基本框图（MC33897）：

CAN信号电平

CAN通信不是以时钟信号来进行同步的。它只具有CAN_H和CAN_L两条信号线，共同构成一组差分信号线，CAN是以差分信号的形式进行通信的。 在CAN总线上，逻辑“0”和“1”之间显著的电压差是总线可靠通信的保证。CAN总线上两种电平状态分别为：

显性（Dominant）：0

隐性（Recessive）：1

高速CAN和低速CAN总线在物理层信号电平上定义有所不同。 高速CAN，定义CANH和CANL电压相同（CANH=CANL=2.5V）时为逻辑“1”，CANH和CANL电压相差2V（CANH=3.5V, CANL=1.5V）时为逻辑“0”。高速CAN收发器在共模电压范围内（-12V~12V），将CANH和CANL电压相差大于0.9V解释为显性状态（Dominant），而将CANH和CANL电压相差小于0.5V解释为为隐性状态（Recessive）。收发器内部有迟滞电路可以降低干扰。 低速CAN，定义CANH和CANL电压相差-5V（CANH=0V, CANL=5V）时为逻辑“1”，相差2.2V（CANH=3.6V, CANL=1.4V）时为逻辑“0”。 CAN总线的信号电平具有“线与”特性，即显性电平“0”总是会掩盖隐性电平“1”。如果不同节点同时发送显性和隐性电平，总线上表现出显性电平“0”，只有在总线上所有节点发送的都是隐性电平“1”时，总线才表现为隐性。线与特性是CAN总线仲裁的电路基础。   下图是高速CAN的信号电平（ISO 11898-2）：

下图是低速CAN的信号电平（ISO 11898-3）：

注：起初，ISO11898是高速CAN的标准，ISO11519是低速CAN的标准，高速CAN数据链路层和物理层都在标准ISO11898中规定，后来被拆分为ISO11898-1（仅涉及数据链路层）和ISO11898-2（仅涉及物理层）。其中标准ISO 11519-2-1994已经在2006年被ISO 11898-3-2006代替了，也就是说符合标准ISO 11898-3的产品也是支持符合ISO 11519-2标准的产品，因此LSFT CAN的标准也是ISO 11898。

CAN电路设计

CAN收发器的特性包括非常低的电磁辐射和很强的抗击共模噪声的能力。另外，CAN收发器可以提供高达 8KV 的ESD保护，在电路设计中可以在收发器附近增加共模电感以进一步降低电磁辐射。    

同时，CAN总线的设计还要进行隔离和防护。隔离包括信号线的隔离和电源的隔离，隔离可以增强系统的抗干扰能力，但也会增加CAN总线的传输延迟，导致通信速率和通信距离减少。现在有很多直接带隔离的CAN收发器，可以直接进行使用。  

自带隔离的CAN收发器框图如下图所示，其内部集成了变压器对电源、信号都进行了隔离。  

审核编辑 ：李倩