CAN总线（Controller Area Network）是一种高度可靠、分布式、实时性强的串行通信总线系统，广泛应用于汽车、工业自动化、医疗设备等领域。其核心设计目标是在恶劣电气环境中实现低成本、高效率、多节点间的可靠通信。

以下是CAN总线的主要工作方式与流程：

一、核心特性与工作方式

1. 多主多从结构：

   • 没有传统意义上的“主节点”控制总线。总线上的每个节点（ECU - Electronic Control Unit）既是主机也是从机。
   • 任何节点都可以在它认为总线空闲时发起通信。节点发送消息的依据是自身的状态变化或设定的调度规则。

2. 广播式通信：

   • 当一个节点向总线上发送消息（称为“CAN帧”）时，该消息会广播给所有连接到总线上的节点。
   • 每个节点都“监听”总线上的所有信息流。

3. 基于ID的寻址：

   • CAN帧的头部包含一个唯一的标识符（ID）。
   • ID决定了该消息的内容含义（即“消息类型”）和其优先级，ID值越小，优先级越高。
   • 节点接收时，通过检查ID来决定是否接收和处理该消息。每个节点可以配置为只接收特定ID的消息（即过滤）。
   • ID不是接收节点的地址，而是消息内容的标签。

4. 非破坏性位仲裁：

   • 这是CAN总线区别于其他总线、实现多主和实时性的核心机制。
   • 原理： 当多个节点同时开始发送消息时，它们在发送ID的同时也在监听着总线。CAN总线协议是“线与”（Wire-AND）逻辑：显性位（逻辑0）会覆盖隐性位（逻辑1）。
   • 仲裁过程：
     • 不同节点在发送ID时，从最高位（MSB）开始一位一位地比较。
     • 当一个节点发送隐性位（1）而检测到总线为显性位（0）时，它立即知道自己在这场竞争中失败了。
     • 失败的节点会立刻停止发送，转为接收模式，并且不会破坏赢得仲裁节点发送的数据帧（这就是“非破坏性”的含义）。
     • 最终，ID最小的消息（即优先级最高）赢得仲裁并继续完成其整个帧的发送。失败的节点会在总线再次空闲时自动重试。

5. 事件驱动型传输：

   • CAN总线的传输通常由节点内部事件触发（例如传感器读数变化、用户输入、定时器到期等）。
   • 这使得通信具有很高的实时性和效率，信息在产生时被及时发送。

二、通信流程（一次消息传输）

以节点A向其他节点发送一条消息为例：

1. 消息准备（节点A）：

   • 节点A内的应用程序将需要发送的数据准备好。
   • 节点A的CAN控制器会根据数据结构将其封装成一个标准的CAN帧（包含ID、数据长度码、数据域、CRC校验码等）。

2. 总线空闲检测：

   • 节点A的CAN控制器持续监视总线状态。
   • 当检测到总线处于连续11个位的隐性电平（逻辑1）时，认为总线空闲。

3. 发送开始与仲裁：

   • 当总线空闲并且节点A有数据要发送时，它开始发送帧起始位（SOF - Start of Frame），一个显性位（0），标志传输开始。
   • 紧接着，节点A开始发送标识符（ID）。
   • 如果在发送ID期间（直到ID结束），没有其他更高优先级（更小ID）的节点同时发送，节点A赢得仲裁。
   • 如果有更高优先级节点也尝试发送，节点A在发送ID过程中一旦检测到它发送的是1（隐性）而总线上是0（显性），它就立刻停止发送并转为接收模式。

4. 赢得仲裁后继续发送：

   • 赢得仲裁的节点（比如节点A）继续发送帧的剩余部分：
     • 控制段： 包含数据长度码。
     • 数据段： 实际要传输的数据（0-8字节）。
     • CRC段： 循环冗余校验码，用于接收方检查帧传输错误。
     • 确认段（ACK Slot）：
       • 发送节点在此处发送一个隐性位（1）。
       • 总线上所有正确接收到该帧（无CRC错误）的节点，都会在这个ACK Slot时间段内，发送一个显性位（0）覆盖掉发送方的隐性位。因此发送节点如果监测到ACK Slot位被拉低为显性位，说明至少有一个节点正确收到（这是主动确认机制）。
       • 如果发送节点在ACK Slot位时间内检测到的还是隐性位（1），则表示没有任何节点确认收到有效帧，将触发错误。
     • 帧结束（EOF）： 7个连续的隐性位，标志帧结束。

5. 错误检测与处理：

   • 全程检测： 发送节点和接收节点都会持续检测传输中的错误（位错误、填充错误、帧格式错误、ACK错误、CRC错误）。
   • 错误标志： 一旦任意一个检测到错误的节点（可能是发送节点本身或接收节点），会主动在下一个位时间内发送一个错误帧（由6个显性位和随后的8个隐性位组成），强行中断当前总线上正在进行的错误传输。
   • 错误计数器： 每个CAN控制器内部维护着发送错误计数器和接收错误计数器。错误会增加计数器值，成功通信会减少计数器值。当错误计数达到特定阈值时，节点会进入被动错误模式（只能被动发送错误帧）或总线关闭模式（断开通信），防止故障节点持续干扰总线。

6. 接收消息（所有节点）：

   • 总线上的所有节点都在监听。
   • 过滤： 每个节点的CAN控制器会检查接收到的帧的ID，如果该ID在控制器配置的接受过滤列表中，则接收该帧（存入本地接收缓存区）。
   • 校验： 对接收到的帧进行CRC校验。
   • ACK响应： 如上所述，正确接收的节点在ACK Slot位置发送显性位进行确认。
   • 向上层传递： 如果接收成功且消息是给自己的（或需要处理的），CAN控制器将数据帧中的有效数据提取出来，交给节点内部的微处理器或应用程序进行处理。

7. 总线恢复：

   • 在帧结束（EOF）后或错误帧结束后，总线开始空闲计数（连续11个隐性位），然后新的通信可以开始。

总结关键点

• 多主竞争： 所有节点平等竞争总线，ID小的消息胜出。
• 非破坏仲裁： 仲裁失败者自动退出不破坏成功者。
• 广播过滤： 消息广播发送，接收者按ID决定是否接收。
• 强健错误处理： 内置多种错误检测机制（CRC、ACK、格式等）和自动处理（中断传输、错误计数）。
• 事件驱动： 消息传输由节点事件触发。
• 高可靠性： 差分信号抗干扰，完善的错误处理，使其适用于苛刻环境。

这种工作方式使CAN总线非常适合于需要多个子系统之间进行高速、可靠、优先级分明的实时通信的应用场景，例如汽车内部各个控制单元（引擎控制、刹车控制、门窗控制等）之间的信息交互。