什么是CAN总线？-2

在前文一文读懂CAN总线（一）中我们简单介绍了CAN通讯协议，讲了标准CAN和扩展CAN以及CAN消息类型，在本文中将继续为大家深入讲解CAN总线的位填充机制、错误检测和故障界定、网络拓扑、终端匹配、电缆与接线、差分信号电压幅值。

 

位填充机制

 定义及机制形式

帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及CRC校验和域，均通过位填充方法编码。

位填充是指：

无论何时，发送器只要检测到位流中有5个连续相同逻辑的位，便会自动在位流中插入一个补码位。

举例来说，如果连续5个显性位，则在5个显性位之后自动插入1个隐性位，接收器会自动删除这个插入的填充位。

数据帧或远程帧的剩余位域（CRC界定符、应答域和帧结尾域）形式固定，不填充；错误帧和过载帧也不填充。

作用

1.CAN网络同步需要足够多的上升沿，这是CAN协议规定位填充的目的之一。

2.确保数据帧不会被当作错误帧（由6个连续的显性或隐性位组成）、确保正确识别帧结束标志（7个连续隐性位）。

 

错误检测和故障界定

CAN总线具有很高的“健壮性”，这是因为CAN具有多种错误检查机制。

CAN协议制定了5种错误检测方法，3种位于报文层，2种位于位流层。

如果一个数据帧出现错误，那么这个帧会被丢弃，并且接收节点还会发送一个错误帧。这会强制发送节点重复发送出错的报文，直到接收节点正确接收；如果同一个报文重复出错，达到一定次数后，发送节点可以关闭发送功能以降低对总线的影响。

报文层错误检测

报文层的错误检测包括CRC和ACK。

CRC域包含15位校验、1位界定符；ACK域包括1位应答位、1位界定符。

CRC校验错误

CRC校验错误很好理解，它对数据域以及数据域之前的位生产CRC校验。由于一帧CAN报文数据流很小（最多8个用户数据），所以15位CRC的侦错能力非常优秀。

ACK校验错误

ACK域是怎么起作用的呢？

这是由CAN协议规定的，即发送节点发送一帧数据后，接收节点必须向发送节点应答，如果发送节点没有收到接收节点的应答信号，就会认为自己发送失败，从而重传数据。

报文层的第三种错误检查方法是

格式检查

。这种检查会监控报文中那些一定为隐性位的域，如果这些域中出现显性位，则检测到格式错误。这些域包括SOF、EOF、ACK的界定符和CRC的界定符。

位流层错误检测

位错误

位流层的错误检测之一是发送到总线上的每一个数据位，都会被监视，如果发现发送的位和总线上的位不相同时，产生位错误。

这种监视机制并不会监视仲裁域的位，这是因为多个节点同时竞争总线时，优先级高的节点可能会覆写总线上的仲裁域位。

位填充规则

位流层的另外一个错误检测机制是位填充规则：5个连续相同逻辑位之后，如果第6个位的逻辑还和前五个相同，则产生位填充错误。 

网络拓扑

CAN使用差分信号，需要一对信号线，推荐使用双绞线，网络拓扑如下图所示。

 

CAN总线网络拓扑结构图

使用差分信号可以抑制共模干扰、能够增加系统可靠性，允许使用更高的速率。

高速ISO11898标准规定了CAN传输最高速率为1Mbps，在这个速率下，传输距离最长40米（挂接30个节点，CAN信号不隔离）。推荐节点分支长度最大为0.3米、使用带屏蔽或不带屏蔽的双绞线，线缆特性阻抗为120欧姆。 

终端匹配

 

终端匹配电阻大小等于传输电缆特性阻抗，传输电缆特性阻抗由电缆供应商提供，一般近似为：

Z=√(L/C)

其中L为电缆单位长度感抗，C为电缆单位长度电容。

由于CAN收发器结构，从隐性变成显性由晶体管驱动，所以都是很陡的，但是从显性回到隐性，却需要终端电阻来放电，否则就会由于导线分布电容，缓慢放电，导致位宽错误。

所以所谓的近距离、低波特率CAN总线不加终端电阻的做法，都是错误的。

RS485与CAN总线不同，由于RS485收发器中一般都内置失效保护电路，在近距离、低波特率下允许不加终端匹配电阻。 

电缆与接线

CAN总线采用差分信号传输，如果使用带屏蔽双绞线，屏蔽层应单点接地。

 

 

带单屏蔽层的CAN电缆剖析与连接线示范

通常电缆截面积越小，其分布电容、分布电感和直流电阻越大。当通讯距离较远时，电容、电感和直流电阻会引起信号衰减，波形失真和抖动。

一般情况下，电缆供应商会提供信号衰减图表。

 

 

24-AWG电缆衰减和频率的关系

 

差分信号电压幅值

 

CAN电平幅值

如上图所示，两条信号线CAN_H和CAN_L静态时均为2.5V左右，此时状态表示逻辑1，称作隐性；CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为显性，此时通常CAN_H电压3.5V、CAN_L电压1.5V。

 

 

 差分电压幅值与电平极性关系

CAN标准规定，CAN总线上的差分电压>0.9V才能被识别成显性电平，<0.5V才能被识别成隐性电平，0.5~0.9之间的电平不能确定电平极性。如上图所示。 

 

终端匹配电阻数目与差分电压幅值关系

在实际项目布线时，容易漏加或者多加终端匹配电阻。我们可以通过测量CAN差分电压幅值来评估是否漏加或多加终端匹配电阻。

如果不计导线电阻，终端电阻固定为120欧姆，单节点CAN总线差分电压如上图所示。