CAN 物理层 -- 差分信号、拓扑与终端电阻

1. 什么是 CAN 总线

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是由 Bosch 公司于 1986 年开发的一种串行通信协议，最初用于汽车内部电子控制单元（ECU）之间的通信。如今已广泛应用于工业自动化、医疗设备、船舶电子等领域。

1.1 为什么需要 CAN？

在汽车中，有数十个甚至上百个 ECU（发动机控制、ABS、空调、仪表盘等）。早期的点对点布线方式需要大量线束，成本高且不可靠。CAN 总线通过共享一根通信线，大幅减少线束数量。

1.2 CAN 与其他总线的对比

2. 物理层详解

2.1 CAN_H 和 CAN_L 差分信号线

CAN 总线使用两根信号线传输数据：

• CAN_H（CAN High）：高电平线
• CAN_L（CAN Low）：低电平线

接收端通过两根线的电压差来判断逻辑状态，而不是看单根线的绝对电压。这种差分信号方式具有极强的抗干扰能力。

2.2 显性电平 vs 隐性电平

关键特性：

• 显性电平覆盖隐性电平 —— 这是 CAN 仲裁机制的物理基础
• 当多个节点同时发送时，只要有一个节点发送显性（0），总线上就表现为显性

2.3 位速率

速率与距离成反比 —— 总线越长，最大可用速率越低。

3. 拓扑结构

3.1 线性总线拓扑

CAN 总线采用线性总线结构：

[节点1]───[节点2]───[节点3]───[节点4]───[节点5]
  │         │         │         │         │
  └─终端电阻─┘                             └─终端电阻─┘
  (120Ω)                                   (120Ω)

• 所有节点并联在总线上
• 总线两端各有一个 120Ω 终端电阻
• 不支持星型、环型拓扑（除非使用中继器或网关）

3.2 节点数量限制

• 理论：无限制（由 CAN 协议本身不限制）
• 实际：受收发器驱动能力限制，通常最多 110 个节点
• 常见配置：10-30 个节点

3.3 分支长度限制

从主干到节点的分支线（stub）应尽量短：

• 1 Mbps 时：分支 < 0.3m
• 125 kbps 时：分支 < 3m

过长的分支会引起信号反射，导致通信错误。

4. 终端电阻

4.1 为什么需要终端电阻？

终端电阻的作用是消除信号反射。当信号到达总线末端时，如果没有匹配的终端电阻，信号会反射回总线，与后续信号叠加，造成数据错误。

4.2 阻值选择

• 标准值：120Ω
• 等效阻抗：两个 120Ω 并联 = 60Ω（匹配 CAN 总线特性阻抗）
• 位置：总线两端，不是每个节点都加

4.3 如何判断终端电阻是否正常？

用万用表测量 CAN_H 与 CAN_L 之间的电阻：

• 正常值：约 60Ω
• 只接了一个终端电阻：约 120Ω
• 都没有接：开路（无穷大）

5. 关键知识点总结

★ Insight ─────────────────────────────────────

• CAN 的"显性覆盖隐性"特性是协议设计的精髓 —— 物理层直接实现了仲裁的基础，不需要额外的冲突检测机制。
• 终端电阻看似简单，却是工业现场最常见的故障源之一。实际排查时，第一步就是测量总线两端的电阻是否为 60Ω。
• 差分信号与单端信号的本质区别：差分看的是电压差，而不是对地电压，因此共模噪声（如电磁干扰）会被抵消。 ─────────────────────────────────────────────────

下一步

→ 02-can-frame-format.md —— 深入了解 CAN 帧格式和仲裁机制