can收发器原理及作用

CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，在两条有差分电压的总线电缆上传输数据。

CAN收发器是控制器局域网（CAN）总线系统中的关键硬件组件，位于CAN控制器（通常集成在MCU中）和物理CAN总线（双绞线）之间。它扮演着至关重要的信号转换和接口角色。

核心作用

信号电平转换： 这是最主要的功能。
- 发送方向： 将CAN控制器输出的逻辑电平信号（通常是TTL或CMOS电平，例如0V表示逻辑0，3.3V或5V表示逻辑1）转换成适合在物理总线上进行长距离、抗干扰传输的差分信号（符合ISO 11898-2标准）。
- 接收方向： 将物理总线上的差分信号转换回逻辑电平信号，供CAN控制器读取和处理。
提高抗干扰能力：
- 差分传输： CAN收发器采用差分电压（CAN_H - CAN_L）来代表信号状态（显性或隐性）。这种传输方式对共模干扰（噪声同时叠加到两根线上的干扰）有极强的抑制能力。外部的电磁干扰（EMI）通常会同等影响两根导线，其电压差（差值）能保持不变，从而保证信号完整性。
- 总线引脚保护： 集成ESD保护二极管等电路，保护敏感的控制器接口免受静电放电损坏。
驱动能力：
- 提供足够的驱动电流（汇电流）能力，以便在总线处于“显性”状态（逻辑0）时，能将总线上的差分电压拉到足够低（如CAN_H ≈ 3.5V， CAN_L ≈ 1.5V，差值≈2V）。需要驱动整个网络的终端电阻负载。
实现总线状态：
- 显性状态： 收发器主动将CAN_H拉高，将CAN_L拉低（典型的差分电压≈2V），代表逻辑‘0’。具有比隐性状态更高的优先级。
- 隐性状态： 收发器不主动驱动总线，总线上的终端电阻（通常120Ω）将其维持在一种无源的高阻状态。此时CAN_H和CAN_L电压接近（均接近电源电压的一半，例如≈2.5V），差分电压≈0V，代表逻辑‘1’。
故障保护：
- 许多现代CAN收发器集成了失效保护功能：
  - 总线短路保护： 防止CAN_H或CAN_L对电源（VCC）或地（GND）短路的永久性损坏。
  - 热关断： 当芯片温度过高时自动关闭输出，防止过热损坏。
  - 欠压锁定： 当工作电压过低时关闭输出，防止意外行为。
  - 静音模式： 只接收，不发送，用于诊断或防止故障节点干扰总线。
  - 自动极性检测： 部分收发器能检测并适应CAN_H和CAN_L接反的情况。
电气隔离：
- 虽然收发器本身不提供隔离功能，但它是实现隔离式CAN接口的关键组成部分之一。隔离通常通过光耦（信号隔离）或数字隔离器配合隔离电源来完成，隔离栅位于控制器逻辑端（微控制器侧）和收发器总线端（总线侧）之间，主要保护微控制器免受总线上高压和地电位差的危害。

工作原理简述

发送过程：
- CAN控制器产生逻辑信号（TxD）。
- 当TxD为低电平（逻辑0）时，收发器内部的驱动器电路工作：
  - 将CAN_H引脚电压拉高至（接近）预设电源电压（如VCC）。
  - 将CAN_L引脚电压拉低至（接近）地电平（GND）。
  - 此时总线处于显性状态（CAN_H - CAN_L ≈ 2V）。
- 当TxD为高电平（逻辑1）时，收发器内部的驱动器关闭（进入高阻状态）：
  - CAN_H和CAN_L通过总线上的终端电阻被拉到相同电压（约VCC/2）。
  - 此时总线处于隐性状态（CAN_H - CAN_L ≈ 0V）。
接收过程：
- CAN_H和CAN_L线上的差分信号进入接收器电路。
- 差分接收器比较CAN_H和CAN_L之间的电压差。
- 当(CAN_H - CAN_L) > 接收阈值（通常>0.9V）时，判断为显性，接收器输出RxD为低电平（逻辑0）。
- 当(CAN_H - CAN_L) < 接收阈值（通常<0.5V）时，判断为隐性，接收器输出RxD为高电平（逻辑1）。
- 控制器读取RxD信号，还原出发送端的逻辑信息。

总结

简单来说，CAN收发器就像CAN总线网络的“物理层翻译官”和“保护卫士”：

翻译官： 在控制器的数字逻辑世界（0/1）和物理总线的模拟差分世界（CAN_H/CAN_L电压差）之间进行信号的双向转换和适配。
保护卫士：
- 利用差分传输对抗外部干扰和导线电阻变化。
- 提供强大的驱动能力确保信号在长距离总线上的强度。
- 实现总线的显性/隐性状态，支持仲裁和冲突检测。
- 集成多种保护机制防止器件和系统因短路、过热、低压等原因损坏。
- 是实现电气隔离接口的必要模块。

没有CAN收发器，微控制器的数字信号就无法可靠地、抗干扰地在物理双绞线上传输，更无法构成实用的CAN总线网络。 它广泛应用于汽车电子、工业自动化、医疗设备、新能源（如BMS）等领域，是实现可靠总线通信不可或缺的核心元件。

选型时需关注：兼容性（5V/3.3V）、总线保护级别（ESD、短路）、速度（高速CAN可达1Mbps）、功耗、特殊功能（静音模式、极性识别、单线模式）、温度范围、封装等。常见的型号如TI的SN65HVD系列、NXP的TJA1050系列、ADI的ADM3052系列等。