CAN 总线深入理解：从差分通信、节点仲裁到终端电阻

CAN 总线深入理解：从差分通信、节点仲裁到终端电阻

1. CAN 总线为什么适合机器人和电机控制？

在机器人、电动车、工业控制领域，经常需要一个控制器同时连接多个设备，例如：

  • 多个电机
  • 编码器
  • 传感器
  • 执行机构

如果每个设备都单独占用一组 UART，那么设备数量一多，线路会非常复杂。

CAN（Controller Area Network）就是为了解决这种多节点实时通信问题而设计的。

它最大的特点：

  1. 一根总线可以挂多个设备
  2. 多个设备可以主动发送数据
  3. 硬件自动解决通信冲突
  4. 具有较强抗干扰能力

这也是为什么汽车和 RoboMaster 机器人大量采用 CAN 通信。

2. CAN 总线的基本结构

一个完整的 CAN 节点通常包含：

             MCU||CAN 控制器|CAN 收发器|CAN_H     CAN_L|CAN 总线

例如 STM32：

  • CPU 负责产生控制逻辑
  • CAN 控制器负责 CAN 协议处理
  • CAN 收发器负责电平转换

2.1 CAN 控制器是什么？

CAN 控制器不是单片机。

它更像 STM32 内部的一个通信模块。

类似：

  • UART 控制器
  • SPI 控制器
  • I2C 控制器
  • CAN 控制器

它负责：

  • 生成 CAN 帧
  • 计算 CRC
  • 检测错误
  • 自动仲裁
  • 管理发送和接收

例如：

程序告诉 CAN 控制器：

我要发送 ID=0x201，数据长度8字节，数据内容XXXX

后面的事情：

  • 加帧头
  • 加校验
  • 判断总线状态

由硬件自动完成。

2.2 CAN 收发器是什么？

CAN 控制器输出的是 MCU 内部数字信号：

例如：

0
1
0
1

但是 CAN 总线上需要的是：

CAN_H
CAN_L

两根差分电压信号。

所以需要 CAN 收发器。

例如：

  • TJA1050
  • SN65HVD系列

它负责：

数字信号

↓

差分电平

3. CAN 和 RS485 的区别

很多初学者会发现：

CAN 和 RS485 都是两根线，而且都是差分通信，它们是不是一样？

答案：

物理层类似，但是通信机制不同。

3.1 RS485

RS485 主要解决：

数据如何可靠传输

它只规定：

  • 两根差分线
  • 电气标准

但是：

谁发送？
什么时候发送？
数据代表什么？

需要上层协议决定。

例如：

RS485 + Modbus

结构：

主机↓RS485↓设备

一般采用：

主站询问

↓

从站回复

3.2 CAN

CAN 不仅规定电气层，还规定通信机制。

例如：

  • 消息 ID
  • 优先级
  • 仲裁
  • 错误检测

多个设备可以同时尝试发送。

CAN 自己解决冲突。

4. CAN 总线为什么只有两根通信线？

CAN 使用差分通信：

两根线：

CAN_HCAN_L

接收端判断：

CAN_H - CAN_L

的电压差。

而不是看：

某根线相对于 GND 是多少伏。

4.1 CAN 电平变化

典型高速 CAN：

隐性位（逻辑1）

CAN_H ≈ 2.5VCAN_L ≈ 2.5V差值≈0V

显性位（逻辑0）

CAN_H ≈3.5VCAN_L≈1.5V差值≈2V

CAN 的巧妙设计：

显性0可以覆盖隐性1。

5. CAN 为什么可以多个设备同时通信？

这是 CAN 最核心的地方：

总线仲裁机制

假设两个设备同时发送：

设备A：

发送1

设备B：

发送0

因为：

0 是显性

1 是隐性

所以总线上表现：

0

设备A检测：

自己发送：

1

但是总线：

0

于是知道：

有更高优先级的数据正在发送

A 自动停止。

B 继续发送。

整个过程：

  • 不需要软件判断
  • 不需要重新排队
  • 硬件自动完成

6. CAN ID 是地址吗？

这是很多人的误区。

CAN ID 更准确叫：

报文标识符（Identifier）

它有两个作用：

作用1：区分消息

例如：

0x201代表1号电机反馈0x202代表2号电机反馈

STM32收到：

ID=0x203

就知道：

这是3号电机的数据。

作用2：决定优先级

CAN 仲裁：

ID越小，优先级越高。

例如：

0x100优先级高0x300优先级低

7. 四个电机如何区分？

假设：

四个 CAN 电机：

电机1ID=0x201电机2ID=0x202电机3ID=0x203电机4ID=0x204

它们发送：

速度

角度

温度

错误状态

主控收到数据：

看到 ID：

就知道：

谁发来的

8. 电机 ID 是怎么来的？

通常有几种方式：

方法1：厂家固定

例如 RoboMaster 电机。

协议规定：

电机1：0x201电机2：0x202

用户不能修改。

方法2：软件配置

工业 CAN 设备：

可以通过上位机修改：

例如：

设备地址：

1234

保存到内部 Flash。

方法3：拨码开关

一些设备：

直接通过硬件拨码设置地址。

9. 电机是主动发送还是被询问？

两种方式都有。

方式1：主动上报

例如 RoboMaster：

电机周期性发送：

角度速度电流温度

STM32只监听。

方式2：查询响应

类似 Modbus：

主机：

请告诉我速度

电机：

当前速度100rpm

具体采用哪种：

由设备协议决定。

CAN 本身不规定。

10. CAN 总线为什么需要120Ω终端电阻？

这是 CAN 布线非常重要的知识。

高速信号在线缆上传输时：

如果末端没有匹配：

会产生：

信号反射

类似：

水管突然堵住：

水流会反弹。

电信号也一样。

11. 什么叫阻抗匹配？

简单理解：

让信号看到：

前面的路和自己一样宽

不会突然遇到：

  • 开路
  • 突然变化

这样信号可以继续传播。

CAN 双绞线特性阻抗：

约：

120Ω

所以末端加：

120Ω电阻

让信号能量被吸收。

12. 120Ω电阻应该怎么接？

注意：

不是：

CAN_H 接一个120Ω

CAN_L 接一个120Ω

而是：

CAN_H||
120Ω||
CAN_L

也就是：

跨接 CAN_H 和 CAN_L。

13. 终端电阻应该放在哪里？

原则：

整条 CAN 网络两端各一个

例如：

STM32|电机1|电机2|电机3|电机4

那么：

STM32端120Ω电机4端120Ω

中间：

电机1、2、3

不要接。

14. 为什么中间节点不能接120Ω？

假设：

四个设备全部接120Ω：

等效阻抗会降低。

两个120Ω：

等效：

60Ω

多个：

越来越低。

结果：

  • 总线负载增加
  • 电流增大
  • 信号幅度下降
  • 通信不稳定

所以：

CAN 网络永远只需要两个终端电阻。

15. 短距离可以不接终端电阻吗？

例如：

四个电机距离：

10厘米以内。

实验：

可能可以通信。

但是工程：

不建议。

原因：

今天短：

明天可能：

  • 加长线
  • 加传感器
  • 改布局

按照规范设计：

永远保留两个终端电阻。

16. CAN 总线拓扑结构

CAN 推荐：

总线型拓扑

例如：

================|    |    |电机1 电机2 电机3================

不推荐：

星型

例如：

        电机1|电机2---STM32---电机3|电机4

原因：

分支过多：

容易产生反射。

17. RoboMaster STM32开发板中的CAN

RoboMaster C型开发板：

通常具有：

CAN1

CAN2

它们代表：

两套独立 CAN 网络。

例如：

CAN1：

底盘电机

CAN2：

云台电机

不是因为一条 CAN 必须有两个接口。

而是方便系统划分。

18. USB转CAN是什么？

USB转CAN设备：

本质：

电脑和 CAN 网络之间的转换器。

结构：

PC|USB控制器|CAN控制器|CAN收发器|CAN_H/CAN_L

用途：

  • 查看 CAN 数据
  • 调试电机
  • 分析协议

19. 总结

CAN 最核心的几个知识点：

1.

CAN 是差分通信：

CAN_H + CAN_L

2.

CAN 不靠电压高低判断，而看差分。

3.

CAN 控制器负责：

  • 仲裁
  • CRC
  • 错误检测

4.

CAN ID：

不是简单地址，而是报文标识符。

5.

ID越小：

优先级越高。

6.

CAN允许多个设备同时发送：

靠显性/隐性机制自动仲裁。

7.

CAN总线需要：

两个120Ω终端电阻。

8.

终端电阻：

接在物理总线两端。

9.

中间节点：

不要加终端电阻。

10.

CAN真正强大的地方：

不是“两根线”，而是：

它把多设备通信中的冲突处理、优先级管理、错误检测，都集成到了硬件里面。

这也是为什么 CAN 成为了机器人、电动车和工业控制领域最常用的通信方式之一。