作者 | 海角
出品 | 焉知
前言：
說到CAN協(xié)議，大家都會想起幀結(jié)構(gòu)這類的，很多時候局限于片面認(rèn)知，沒有一個完整思路，所以我想通過從ISO11898協(xié)議出發(fā)，深入了解其到電路板實現(xiàn)的全過程。最后匯總幾種常用方案，助你更好地理解和應(yīng)用這一重要通信標(biāo)準(zhǔn)在實際電路設(shè)計中的實現(xiàn)。
概要：
ISO11898標(biāo)準(zhǔn)作為控制器局域網(wǎng)（CAN）通信的重要規(guī)范，為眾多領(lǐng)域的電子設(shè)備間通信提供了堅實的基礎(chǔ)。本文將帶領(lǐng)讀者深入了解 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，并結(jié)合實際工程中的做法，詳細(xì)闡述如何進(jìn)行基于該標(biāo)準(zhǔn)的電路設(shè)計，以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的電子通信系統(tǒng)。
ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的背景和意義
Controller Area Network (CAN) 總線是一種高效的串行通信網(wǎng)絡(luò)，最初由德國Bosch公司在1980年代末期開發(fā)，旨在滿足汽車行業(yè)中對可靠性和實時性的需求。
ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，旨在規(guī)范 CAN 總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，確保不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能夠相互兼容、穩(wěn)定通信，為實現(xiàn)復(fù)雜電子系統(tǒng)的協(xié)同工作提供了有力保障。
ISO11898標(biāo)準(zhǔn)分類與主要內(nèi)容
ISO 11898-1：數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
ISO 11898-2：高速物理層規(guī)范
ISO 11898-3：低速容錯物理層規(guī)范
ISO 11898-4：時間觸發(fā)通信協(xié)議 (TTP/C)
ISO 11898-5：低功耗模式
ISO 11898-6：CAN FD物理層規(guī)范
1、ISO 11898-1：數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
消息格式：CAN消息分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識符長度為11位，擴(kuò)展幀的標(biāo)識符長度為29位。每條消息包含多個字段，如仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、應(yīng)答段和結(jié)束段。
錯誤檢測與處理：CAN總線采用多種錯誤檢測機制，如循環(huán)冗余校驗（CRC）、位填充和應(yīng)答錯誤檢測。一旦檢測到錯誤，節(jié)點會發(fā)送錯誤標(biāo)志，并重新發(fā)送消息。
仲裁機制：當(dāng)多個節(jié)點同時嘗試發(fā)送消息時，CAN總線采用位仲裁機制。較低的標(biāo)識符值具有更高的優(yōu)先級，從而確保高優(yōu)先級的消息優(yōu)先傳輸。
2、ISO 11898-2：高速物理層規(guī)范
傳輸速率：ISO 11898-2規(guī)定了CAN總線的高速物理層，適用于傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s的應(yīng)用。常見的傳輸速率包括125 kbit/s、250 kbit/s、500 kbit/s和1 Mbit/s。
電氣特性：CAN總線采用差分信號傳輸，兩條信號線分別為CAN_H和CAN_L。差分電壓范圍為0V至5V，邏輯電平定義為顯性位（0V）和隱性位（2.5V）。
3、ISO 11898-3：低速容錯物理層規(guī)范
傳輸速率：ISO 11898-3適用于傳輸速率低于125 kbit/s的場合，常見的傳輸速率包括10 kbit/s、20 kbit/s和50 kbit/s。
容錯機制：低速容錯物理層具有更好的抗干擾能力和更長的傳輸距離，適用于惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。
4、ISO 11898-4：時間觸發(fā)通信協(xié)議 (TTP/C)
時間觸發(fā)機制：TTP/C協(xié)議是一種時間觸發(fā)的通信協(xié)議，適用于需要嚴(yán)格時間同步的應(yīng)用，如分布式控制系統(tǒng)。
5、ISO 11898-5：低功耗模式
低功耗設(shè)計：ISO 11898-5規(guī)范了CAN總線的低功耗模式，適用于電池供電或低功耗應(yīng)用。低功耗模式下，節(jié)點可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗。
6、ISO 11898-6：CAN FD物理層規(guī)范
靈活數(shù)據(jù)速率：CAN FD（Flexible Data-rate）協(xié)議允許在同一網(wǎng)絡(luò)中使用不同的數(shù)據(jù)速率，提高了通信效率和帶寬。CAN FD支持的最高數(shù)據(jù)速率為5 Mbit/s。
CAN總線的基本原理
CAN總線采用多主結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點都可以主動發(fā)送消息。節(jié)點之間通過共享總線進(jìn)行通信，無需中央控制器。這種結(jié)構(gòu)使得CAN總線具有高度的可靠性和靈活性。
物理層規(guī)范
它定義了 CAN 總線的物理介質(zhì)特性，包括傳輸介質(zhì)（如雙絞線）的電氣特性。例如，對于高速 CAN（最高速率可達(dá) 1Mbps），規(guī)定了總線信號的電平范圍，隱性電平（邏輯 1）和顯性電平（邏輯 0）的具體電壓值。在高速 CAN 中，隱性電平通常為 2.5V 左右，顯性電平在 0 - 1.5V 之間，這種電平的定義使得總線上的節(jié)點能夠準(zhǔn)確地識別 “0” 和 “1” 信號。
同時，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如線性拓?fù)洌┖徒K端匹配方式。終端匹配電阻的作用是為了減少信號反射，確保信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。一般在總線的兩端會各接一個 120Ω 左右的終端匹配電阻。
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
規(guī)定了 CAN 數(shù)據(jù)幀的格式。CAN 數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 場、ACK 場和幀結(jié)束等部分組成。仲裁場用于確定數(shù)據(jù)優(yōu)先級，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過對仲裁場的比較，優(yōu)先級高的節(jié)點的數(shù)據(jù)可以優(yōu)先發(fā)送。例如，在汽車的電子控制系統(tǒng)中，如果發(fā)動機控制單元和車身穩(wěn)定控制單元同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)其數(shù)據(jù)幀仲裁場的設(shè)置，優(yōu)先級高的單元（如發(fā)動機控制單元可能因為其對車輛運行的關(guān)鍵作用而被賦予較高優(yōu)先級）的數(shù)據(jù)會先在總線上傳輸。
數(shù)據(jù)鏈路層還定義了錯誤檢測和處理機制。例如，通過循環(huán)冗余校驗（CRC）字段來檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。如果接收節(jié)點計算的 CRC 值與發(fā)送節(jié)點發(fā)送的 CRC 值不一致，則表明數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤，接收節(jié)點會丟棄該數(shù)據(jù)幀，并可以根據(jù)情況要求發(fā)送節(jié)點重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
1、CAN消息分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀
標(biāo)準(zhǔn)幀：標(biāo)識符長度為11位，最大數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)。
擴(kuò)展幀：標(biāo)識符長度為29位，最大數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)。
每條消息包含多個字段：
起始位：表示消息的開始。
仲裁段：包含標(biāo)識符和遠(yuǎn)程傳輸請求位（RTR）。
控制段：包含數(shù)據(jù)長度碼（DLC）。
數(shù)據(jù)段：包含實際數(shù)據(jù)。
CRC段：包含循環(huán)冗余校驗碼。
應(yīng)答段：包含應(yīng)答位（ACK）和應(yīng)答分隔位（ACK delimiter）。
結(jié)束段：表示消息的結(jié)束。
2、仲裁機制
當(dāng)多個節(jié)點同時嘗試發(fā)送消息時，CAN總線采用位仲裁機制。較低的標(biāo)識符值具有更高的優(yōu)先級，從而確保高優(yōu)先級的消息優(yōu)先傳輸。位仲裁機制通過逐位比較標(biāo)識符來實現(xiàn)，直到找到不同的位為止。
3、錯誤檢測與處理
CAN總線采用多種錯誤檢測機制，如循環(huán)冗余校驗（CRC）、位填充和應(yīng)答錯誤檢測。一旦檢測到錯誤，節(jié)點會發(fā)送錯誤標(biāo)志，并重新發(fā)送消息。常見的錯誤類型包括位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤和應(yīng)答錯誤。
4、重同步
位重同步是指在傳輸過程中，節(jié)點通過調(diào)整時鐘頻率來保持同步。位重同步機制確保了數(shù)據(jù)的正確傳輸，即使在網(wǎng)絡(luò)中存在時鐘偏差的情況下也能正常工作。
需求分析與重要參數(shù)
傳輸速率：根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的傳輸速率，如125 kbit/s、250 kbit/s、500 kbit/s或1 Mbit/s。
可靠性：確保電路具有高可靠性和抗干擾能力。
功耗：對于電池供電或低功耗應(yīng)用，選擇低功耗的CAN芯片。
兼容性：選擇與 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)兼容的微控制器，確保能夠正確實現(xiàn) CAN 通信功能。
成本：在滿足性能要求的前提下，盡量降低成本。
開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)：選擇具有豐富開發(fā)工具和良好生態(tài)系統(tǒng)的微控制器，便于開發(fā)和調(diào)試。
選擇CAN芯片
CAN控制器：常見的CAN控制器芯片包括NXP的MCP2515、STM32的內(nèi)置CAN控制器等。這些芯片提供了基本的CAN通信功能，如消息過濾、緩沖、錯誤檢測等。
CAN收發(fā)器：常見的CAN收發(fā)器芯片包括NXP的TJA1050、Texas Instruments的SN65HVD230等。這些芯片將CAN控制器的邏輯信號轉(zhuǎn)換為物理層信號，確保信號的完整性和可靠性。
集成CAN模塊：集成CAN模塊將CAN控制器和收發(fā)器集成在一個芯片中，簡化設(shè)計和降低成本。常見的集成CAN模塊包括Microchip的MCP2562FD、Texas Instruments的TCAN1042-Q1等。
硬件設(shè)計
電源設(shè)計：確保電源的穩(wěn)定性和可靠性。使用穩(wěn)壓器和濾波電容來穩(wěn)定電源電壓，防止電源波動影響電路性能。
信號完整性：信號線的布線應(yīng)盡量短直，避免信號反射和干擾。使用終端電阻（通常為120Ω）來匹配傳輸線的特性阻抗，減少信號反射。
濾波與保護(hù)：使用濾波器和保護(hù)電路來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。常見的濾波器包括RC濾波器和LC濾波器，保護(hù)電路包括TVS二極管和保險絲。
軟件設(shè)計
初始化：初始化CAN控制器，設(shè)置傳輸速率、工作模式和中斷使能。例如，在使用STM32微控制器時，可以通過HAL庫函數(shù)來初始化CAN控制器。
消息發(fā)送與接收：編寫代碼實現(xiàn)消息的發(fā)送和接收。發(fā)送消息時，將數(shù)據(jù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送過程。接收消息時，讀取CAN控制器的接收緩沖區(qū)，并處理接收到的數(shù)據(jù)。
錯誤處理：在軟件中實現(xiàn)錯誤檢測和處理。常見的錯誤類型包括位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤和應(yīng)答錯誤。一旦檢測到錯誤，可以采取相應(yīng)的措施，如重新發(fā)送消息或重啟CAN控制器。
測試與調(diào)試
測試工具：常用的CAN總線測試工具包括CAN分析儀和示波器。CAN分析儀可以捕獲和解析CAN消息，幫助調(diào)試通信問題。示波器可以觀察信號波形，檢查信號質(zhì)量和時序關(guān)系。
調(diào)試技巧：在調(diào)試CAN電路時，可以使用以下技巧：
逐步調(diào)試：逐步檢查每個環(huán)節(jié)，確保每個部分都能正常工作。
使用示波器：使用示波器觀察信號波形，檢查信號質(zhì)量和時序關(guān)系。
檢查電源：確保電源電壓穩(wěn)定，沒有波動。
檢查接地：確保電路的接地良好，沒有噪聲干擾。
檢查終端電阻：確保終端電阻正確安裝，沒有損壞。
常用解決方案與應(yīng)用案例
1、汽車電子控制系統(tǒng)
系統(tǒng)架構(gòu)：汽車電子控制系統(tǒng)由多個 ECU 組成，包括發(fā)動機控制單元（ECU）、變速器控制單元（TCU）、車身控制單元（BCU）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）等，這些 ECU 通過 CAN 總線進(jìn)行通信。例如，發(fā)動機 ECU 將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、溫度、油壓等實時數(shù)據(jù)發(fā)送給 BCU，BCU 根據(jù)這些信息控制儀表盤上的指示燈和顯示屏，向駕駛員展示車輛狀態(tài)信息。
電路設(shè)計細(xì)節(jié)
微控制器和 CAN 收發(fā)器選擇：在發(fā)動機 ECU 中，選擇高性能的 MCU（如英飛凌的 TC275），因其具有強大的處理能力和豐富的外設(shè)資源，能夠同時處理多個傳感器的數(shù)據(jù)采集和 CAN 通信任務(wù)。與之搭配的 CAN 收發(fā)器（如 TJA1040），其具有良好的抗干擾能力，適合汽車內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境。
總線保護(hù)電路：在 CAN 總線接口處，安裝 TVS 二極管（如 SMBJ6.5CA）用于過壓保護(hù)，防止車輛在啟動、停止過程中產(chǎn)生的浪涌電壓對電路造成損壞。同時，串聯(lián) PPTC（如 1206L050）進(jìn)行過流保護(hù)，確保在總線短路時保護(hù)其他設(shè)備。靜電保護(hù)采用 ESD 保護(hù)器件（如 PESD2CAN），防止靜電對電路的損害。
電源管理：采用線性穩(wěn)壓電源芯片（如 LM2940）為 MCU 和 CAN 收發(fā)器提供穩(wěn)定的電源。為了防止不同電子設(shè)備之間的電源干擾，在部分關(guān)鍵 ECU 的電源輸入處采用隔離電源模塊（如 B0505S - 1W）進(jìn)行電源隔離。在車輛處于停車狀態(tài)且某些 ECU 不需要工作時，通過軟件控制將 MCU 和 CAN 收發(fā)器設(shè)置為低功耗模式，以降低車輛電瓶的耗電量。
測試與驗證：在汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，進(jìn)行功能測試、可靠性測試和電磁兼容性（EMC）測試。功能測試主要檢查各個 ECU 之間的 CAN 通信是否正常，數(shù)據(jù)傳輸是否準(zhǔn)確。可靠性測試包括高溫、低溫、振動等環(huán)境試驗，模擬汽車在各種惡劣路況和氣候條件下的工作情況，確保電路在極端環(huán)境下仍能正常通信。EMC 測試用于評估電路對電磁干擾的抵抗能力和自身產(chǎn)生電磁干擾的程度，確保系統(tǒng)符合汽車行業(yè)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。
2、工業(yè)自動化生產(chǎn)線
系統(tǒng)需求分析：工業(yè)自動化生產(chǎn)線需要對各種生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控和控制，CAN 總線通信需要滿足長距離、高可靠性和抗干擾性的要求。例如，在一條自動化包裝生產(chǎn)線上，需要將包裝機、輸送機、貼標(biāo)機等設(shè)備的狀態(tài)信息通過 CAN 總線傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，同時中央控制系統(tǒng)要能夠向這些設(shè)備發(fā)送控制指令。
電路設(shè)計方案
微控制器和 CAN 收發(fā)器選型：根據(jù)生產(chǎn)線的復(fù)雜程度和通信需求，選擇合適的 MCU（如西門子的 S7 - 1200 系列 PLC 中的 CPU 模塊），其具備強大的工業(yè)通信能力和豐富的控制功能。搭配高性能的 CAN 收發(fā)器（如 SN65HVD234），該收發(fā)器具有較遠(yuǎn)的傳輸距離（可達(dá) 10km 以上）和較強的抗干擾能力，能夠滿足長距離通信和復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的要求。
總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計：考慮生產(chǎn)線的布局和設(shè)備分布情況，采用線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主的總線設(shè)計。在總線上適當(dāng)位置設(shè)置中繼器，用于增強信號強度和延長通信距離。例如，在距離較長的輸送機兩端設(shè)置中繼器，確保 CAN 信號能夠穩(wěn)定傳輸。
保護(hù)電路和電源管理：在總線保護(hù)電路方面，采用 TVS 二極管（如 P6KE18CA）進(jìn)行過壓保護(hù)，PPTC（如 250V2A）進(jìn)行過流保護(hù)，同時在每個設(shè)備的 CAN 接口處安裝 ESD 保護(hù)器件（如 USBLC6 - 2SC6）。電源管理上，使用開關(guān)穩(wěn)壓電源為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，對于需要電源隔離的設(shè)備，采用隔離電源模塊（如 ISO - EM - 3K3 - S）。通過合理的電源管理策略，如分時供電和設(shè)備休眠控制，降低整個生產(chǎn)線的能耗。
實際應(yīng)用效果：通過采用上述 CAN 通信電路設(shè)計方案，自動化生產(chǎn)線的設(shè)備之間通信更加穩(wěn)定可靠，減少了因通信故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷次數(shù)。長距離通信能力使得生產(chǎn)線的布局更加靈活，能夠適應(yīng)不同規(guī)模的生產(chǎn)場地。同時，良好的抗干擾能力和電源管理措施，提高了整個生產(chǎn)線的工作效率和能源利用率。
①標(biāo)準(zhǔn)文檔
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ISO 11898-1:2015 - Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 1: Data link layer and physical signaling
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ISO 11898-2:2016 - Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 2: High-speed medium access unit
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ISO 11898-3:2006 - Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 3: Low-speed, fault-tolerant, passive medium access unit
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ISO 11898-4:2004 - Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 4: Time-triggered communication
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ISO 11898-5:2007 - Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 5: Low-power mode
