CAN 物理层
拓扑结构
CAN 模块作为协议控制器，需配合外部收发器（Transceiver）完成逻辑电平与差分信号的转换。物理层设计直接决定了通信的距离与抗干扰能力。根据应用场景不同，CAN 支持两种典型的网络拓扑：
高速闭环网络（ISO 11898-2）
适用于高速（标准 CAN 最高 1Mbps）、短距离（<40m）通信。总线两端须连接 120Ω 终端电阻以抑制信号反射。
低速开环网络（ISO 11898-3）
适用于低速（最高 125Kbps）、远距离（<1km）通信。
物理信号
CAN 控制器到收发器之间的 TX/RX 是正常逻辑电平，即 0 用低电平表示，1 用高电平表示。而收发器到总线 H/L 上的信号则使用差分信号传输。
当 CAN 节点需要发送数据时，控制器将要发送的二进制编码通过 TX 发送到收发器，收发器将这个普通的逻辑电平转换为差分信号，通过差分线 H 和 L 传输到总线网络。
当 CAN 节点需要接收数据时，收发器将 H 和 L 上收到的差分信号转换为普通逻辑电平，然后通过 RX 输出到 CAN 控制器。
差分信号传输时需要两根信号线，两根信号线上电压幅度相同，相位相反，其差值用来表示逻辑电平 0 和 1，如下图展示了一组标准的差分信号及其差值。
相较于单根信号线传输，差分信号传输时具有以下特点：
抗干扰能力强 ：收到噪声干扰时，噪声同时耦合到两根信号线上，最终的信号差值会相互抵消，外界的共模噪声会被抑制
低电磁辐射 ：由于信号线采用双绞线形式连接，磁场极性相反，对外辐射会因此抵消，对周围电路的干扰更小，更容易通过 EMC（电磁兼容性）测试
时序定位精准：单端信号判断逻辑翻转依赖于一个固定的参考电压（如 Vcc/2），受电源波动影响大。差分信号的逻辑翻转点是两根信号线的交叉点，交叉点的检测不受参考电压漂移的影响，这极大地减小了时序抖动（Jitter）。
无需公共地：单端信号必须以 GND 作为参考，两端参考电压不一致易导致信号误判；差分信号则只关注电压差，无需公共地。
备注
线路上实际传输的差分信号受到真实电磁环境、传输距离等影响，信号形状、振幅和相位等都会发生变形。
差分信号
ISO 11898 标准中对于差分信号做出如下规定：
信号 |
隐性 (逻辑 1) |
显性 (逻辑 0) |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|
最小值 |
典型值 |
最大值 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
|
CAN_High (V) |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
2.75 |
3.5 |
4.5 |
CAN_Low (V) |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
0.5 |
1.5 |
2.25 |
High-Low 电位差 (V) |
-0.5 |
0 |
0.05 |
1.5 |
2.0 |
3.0 |
信号 |
隐性 (逻辑 1) |
显性 (逻辑 0) |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|
最小值 |
典型值 |
最大值 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
|
CAN_High (V) |
1.6 |
1.75 |
1.9 |
3.85 |
4.0 |
5.0 |
CAN_Low (V) |
3.10 |
3.25 |
3.4 |
0 |
1.0 |
1.15 |
High-Low 电位差 (V) |
-0.3 |
-1.5 |
/ |
0.3 |
3.0 |
/ |
以高速物理层电压规范 ISO 11898-2 为例：
当表示逻辑 1（ 隐性电平 ），H 和 L 线上的电压均为 2.5V，压差为 0V
当表示逻辑 0（ 显性电平 ），H 线上电压为 3.5V，L 线上电压为 1.5V，压差 2V
例如，当收发器想要发送控制器传来的逻辑电平 0，它会使 H 信号线输出 3.5V，同时 L 信号线输出 1.5v，从而输出显性电平逻辑 0。
小技巧
ISO 11898 中规定的显性和隐性电平，具有类似 I2C 总线的”线与“特性（任意节点发出低电平都会拉低总线电平）。假如有两个 CAN 通信节点，在同一时间，一个输出隐性电平， 另一个输出显性电平， 则总线上呈现显性电平（逻辑 0）。这也是节点通信时仲裁的根本机制。
在整个通信网络中，因为共用总线，同一时刻只能有一个通信节点发送信号（仲裁阶段支持多个节点同时发送），其余的节点在该时刻都只能接收。 在物理层面上，CAN 节点在发送（TX）位信号的同时，会实时通过 RX 回读总线电平（即逐位监听），以此来实现总线仲裁和错误检测。
