好的，我们来详细了解一下 CAN 总线收发器的原理和应用。

CAN 总线收发器的原理

CAN 收发器是连接 CAN 控制器（通常在 MCU 或专用的 CAN 控制器芯片中）和物理 CAN 总线（一对双绞线：CAN_High 和 CAN_Low）之间的接口芯片。它的核心功能是在 CAN 控制器的逻辑信号和总线上的物理差分信号之间进行双向转换，并提供必要的总线驱动、保护和控制功能。

其工作原理主要可以分为发送和接收两大路径：

1. 发送路径 (从控制器到总线)：

   • CAN 控制器输出两种逻辑电平：显性（逻辑“0”，通常对应低电平，如 0V）或 隐性（逻辑“1”，通常对应高电平，如 VCC）。
   • 驱动器： 收发器内部的驱动器电路接收这些逻辑信号。
     • 当控制器输出显性电平（逻辑“0”）时：
       • 驱动器导通内部的相关晶体管/开关。
       • 拉高 CAN_High 电压（相对于总线参考地）。
       • 拉低 CAN_Low 电压（相对于总线参考地）。
       • 结果：总线产生差分电压 Vdiff = V_CAN_H - V_CAN_L ≈ 2V（典型值，符合标准要求），这个状态表示总线上的显性位。
     • 当控制器输出隐性电平（逻辑“1”）时：
       • 驱动器关闭或处于高阻态。
       • 总线上接的终端电阻（通常是 120Ω）会拉低 CAN_High 和 CAN_High，使它们接近一个中间电位。
       • 结果：差分电压 Vdiff = V_CAN_H - V_CAN_L ≈ 0V，这个状态表示总线上的隐性位。

2. 接收路径 (从总线到控制器)：

   • 物理总线上的差分电压信号被接收到收发器。
   • 差分接收器： 收发器内部的差分接收器是一个比较器电路。
     • 它持续比较 V_CAN_H 和 V_CAN_L 的电压。
     • 当 Vdiff 大于特定阈值（例如 > 0.9V 或设定点）时：接收器判断为 显性状态（逻辑“0”），并输出相应的低电平给 CAN 控制器。
     • 当 Vdiff 小于特定阈值（例如 < 0.5V 或设定点）时：接收器判断为 隐性状态（逻辑“1”），并输出相应的高电平给 CAN 控制器。
   • 共模范围： 接收器的一个重要特性是具有极高的共模抑制比。这意味着即使 CAN_H 和 CAN_L 线同时受到相同方向和幅度的干扰（地电位偏移或瞬变脉冲），只要它们之间的电压差保持不变，接收器就能正确判断逻辑状态，这极大地提升了在恶劣电磁环境下的抗噪能力。

3. 其他关键功能和保护模块：

   • 电源管理： 通常支持宽输入电压范围（如 3.3V, 5V）和/或汽车电池电压（如 12V/24V 系统）。
   • 静电保护： 集成 ESD 保护二极管（如 IEC 61000-4-2），防止静电损坏芯片。
   • 瞬变电压抑制： 提供对浪涌电压（如 ISO 7637 定义的汽车抛负载）的防护。
   • 热关断： 检测驱动器过热并自动关断输出，防止损坏芯片。
   • 短路保护： 检测 CANH/CANL 到电源或地的短路，并限制输出电流。
   • 超时： 有些收发器有 Dominant Timeout 功能，防止软件错误导致控制器长时间卡在显性状态而阻塞整个总线。
   • 错误诊断： 部分高级收发器提供错误标志输出（如 INH、RST 或专用错误引脚）。
   • 高边唤醒/低功耗模式： 支持总线唤醒功能（当总线上有显性活动时，将收发器及其连接的控制器从低功耗模式唤醒）。

核心优势原理：差分信号

CAN 收发器的核心工作原理建立在差分信号传输上：

• 逻辑“0” -> 发送器在总线上产生显性差分电压 (Vdiff = 2V)。
• 逻辑“1” -> 收发器停止驱动，总线靠终端电阻恢复到隐性差分电压 (Vdiff ≈ 0V)。
• 接收器只关心两根线之间的电压差，对共模干扰有极强抑制能力。
• 电流环：显性位传输时，电流从CAN_H流入终端电阻，从CAN_L流出（经过收发器的下拉部分），形成一个电流环，磁场在两根线上方向相反而大部分抵消，辐射电磁干扰。

CAN 总线收发器的主要应用

CAN 总线以其高可靠性、良好的错误检测与处理机制、多主仲裁能力、差分传输的抗干扰性及合适的通信速率，在以下领域广泛应用，核心器件 CAN 收发器也随之成为这些系统的物理层基础：

1. 汽车电子： 这是 CAN 总线最主要的应用领域，被称为汽车的“神经网络”。

   • 车身控制系统： 车门锁、车窗升降、座椅调节、后视镜调节、灯光控制、雨刷控制。
   • 动力总成系统： 发动机控制单元（ECU）、变速箱控制单元（TCU）、燃油喷射、点火系统。
   • 底盘和安全系统： 防抱死制动系统（ABS）、电子稳定程序（ESP）、安全气囊控制单元（ACU）、电动助力转向（EPS）。
   • 舒适性系统： 空调控制单元（HVAC）、信息娱乐系统（IVI）与车身/网关的通信、车钥匙/无钥匙进入。
   • 诊断接口： OBD-II 接口。
   • 新能源车： 电池管理系统（BMS）、电机控制器（MCU）、车载充电机（OBC）之间的通信。

2. 工业自动化：

   • 工厂自动化： PLC 之间的通信、PLC 与远程 I/O 模块、传感器、执行器、驱动器（变频器、伺服驱动器）的分布式控制。
   • 机器控制： 包装机械、印刷机械、纺织机械、机器人内部关节控制和互联。
   • 过程控制： 分布式控制系统（DCS）中的现场设备（传感器、变送器、阀门定位器）联网。
   • 楼宇自动化： 电梯控制、安防系统（门禁、监控）、消防报警、暖通空调控制（HVAC）、能源管理。

3. 医疗设备：

   • 需要高可靠通信的场合：监护仪（连接各种生理参数探头）、手术台/手术灯控制、自动化检验设备、成像设备内部模块通信。
   • 医用电梯/床等特殊设备。

4. 电池管理系统：

   • 除了新能源汽车的 BMS，其他大型电池组（如储能系统、工业 UPS 电池系统）中也广泛应用 CAN 总线进行电池模组监控、均衡控制和保护通信。

5. 其他交通工具：

   • 轨道交通： 列车内部各车厢控制系统、车门控制、辅助设备。
   • 船舶： 机舱监控、导航设备通信。
   • 农业机械： 拖拉机、收割机等的控制系统。

6. 航空航天（特定领域）：

   • 一些机载电子设备内部子系统间通信，对重量、功耗和可靠性有较高要求的部分场景。

7. 特殊应用设备：

   • 需要分布式控制、高可靠性和中等通信速率的专用设备或系统。

总结

CAN 收发器是 CAN 总线通信系统的物理层基石，它高效、可靠地将控制器产生的逻辑信号转换为核心具有抗干扰能力的差分信号在物理总线上传输，同时也将物理总线上的差分信号准确识别并转回逻辑信号供控制器处理。其集成的保护和控制功能确保了在汽车、工业等复杂和严苛电磁环境下通信的鲁棒性。因此，你在几乎所有现代乘用车/商用车内部以及大量的工业自动化设备中都能找到它的身影。