CAN Bus 工作原理 - 物理層

作為 車用通訊 車用匯流排標準 的 控制器區域網路 (Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 

首先，先了解硬體架構：
CAN Bus通訊 僅使用兩條電線相連，一條高電壓，名曰 CAN+(CAN High)；另一條是低電壓，名曰 CAN-(CAN Low)
通常使用 12V電壓，所有設備皆拉兩條 CAN+/-出來，跟別人的CAN+/- 接在一起，並均需各自接上120Ω的電阻，俗稱 終端電阻。
自己的CAN+線 接別人的CAN+線，CAN-接別人的CAN-。
CAN Bus無所謂的 Master/Host，不需要找特定主機 逐一訊問(俗稱Polling)。
只要自己開機完 通訊準備完畢，就可以開始發送訊號。
每條CAN bus上，最少需要兩個設備在線！ 因為 通訊中有個ACK訊號，需要別台機器幫忙發送確認。
同時作為他台機器確認收到正確完整封包的指示。
通訊期間，一般不會如同其他Bus般 稱呼高低電壓為 0/1(因為CAN+與CAN-恰好電壓是相反的)，
而是稱 顯性及隱性 (理由下面說明)
平時無通訊期間，CAN bus上皆為 隱性（1)訊號！
隱性（1) 訊號時， CAN+為低電壓； CAN-為高電壓。
顯性（0）訊號時， CAN+為高電壓； CAN-為低電壓。
CAN bus晶片，僅以CAN+及CAN-之間的電壓差，作為0或1的判定標準；此種作法俗稱 差分訊號。
例如： 雖然 CAN+有高達 17V電壓，但 CAN-此時也有16V訊號；此時CAN chip仍判定Bus上訊號為 隱性（1) 訊號

理解工作原理 才能順利記憶 
關於 CAN Bus背後的工作原理：

問：
 一條 18V的電線，與一條 0V電線 斷路後，若不持續外加電壓，此時兩條線的電壓會是多少？ 



是的，這就是 CAN bus的動作原理
當 CAN+電壓向上提升至 12V, CAN-向下降至0V後；只要後續不在繼續施加電壓，
這兩條線 就會藉著 120Ω的終端電阻 迅速降/升至兩條電線 趨近於相同電壓。
此時 就是前面說的 隱性（1) 訊號 狀態！ 
當 沒有人需要送資料時，CAN bus也是保持在這狀態下。故稱呼為 隱性。

相反，當有人需要傳送資料時，就會將電壓拉開；亦就是 顯性（0）訊號。

再來，這樣的機制，該如何解決： 『"同時間"有兩個以上設備 皆想要送出資料』 的 碰撞 狀況！

當設備發出訊號時，他們發送訊號時，同時間仍會持續監聽Bus上的通訊狀況
當 有兩個以上設備同時發出訊號時，只要 發送 隱性（1) 訊號的設備，
發現 Bus上 仍然保持在 顯性（0）訊號 上！ 他就能知道，有其他設備 也同時正在發送訊號！
此時的他 就進入 shut up模式，等別人順利發送完訊號再說！
如此簡單的機制，就輕鬆解決的碰撞的問題！


別人如何知道 收到 的訊息 是完整，正確且有效的？
◎ CRC
首先，要讓別人知道 他由CAN Bus上 收到的訊息，是否是正確有效的，那 我就必須要在我送出的封包中 加上CRC訊息。
CRC 簡單的說 就是我將前面發送的訊息做運算後，填入CRC欄位；
收到訊息的人，運用相同的計算方法去計算CRC值；如果跟我送出的CRC不相同，
那就表示這通訊中間有被干擾。(我送出0他收到的卻是1,或是相反。)
此時，CRC驗證不成功的人，就電電不出聲(因為有可能整條Bus上 只有他一個人收到錯誤訊息)

那 我又要如何能知道，『我完整發送完的訊息』，已經被別人「正確收到」呢？
◎ ACK機制
在整個封包發送機制過程中，發送訊息的人 在送完CRC後，會送出一個 顯性（0）訊號，然後 接著發送一個 隱性（1) 訊號
確認完 上述CRC正確的設備，會在此時 將該 隱性（1) 訊號 更改為 顯性（0）訊號！ 一般稱這一個訊號叫 ACK確認槽！
一方面表示 他已經收到，另一方面表示 他收到的封包是正確有效的！
發送端 發現自己送出的這一個 隱性（1) ACK訊號，被別人更改為 顯性（0）訊號！ 
那 他就明白 已經有人收到此訊息，並驗證成功！ 此條訊息發送完畢！ 
在再送出一個 顯性（0）訊號 ，通知別人收到此ACK訊息後，這段訊息傳送工作就算結束！ 
然後 就進入 全員靜默狀態...  整條Bus均為 顯性（0）訊號，至少持續 7個bits長度 ... 
...然後 等待下一個設備發出訊號...

簡單說完...
CAN Bus 背後原理 就是這麼簡單
平時Bus上 均無人主動送出電壓訊號，故 CAN_H與 CAN_L 兩線，會逐漸趨向相同電壓 → 隱性（1）訊號
當有人需要送出資料時，先將CAN_H及CAN_L電壓拉開，通知其他人已經開始傳送資料 → 顯性（0）訊號
當送出 1 bit的 顯性（0）訊號 作為起始位(SOF) 後， 就啟動了仲裁位(ID)的仲裁機制（稍後詳聊）：

1. 當 兩個以上 ECU同時傳輸ID位資料時，先送出 bit 1(隱性) 的 ECU 將失去話語權
2. 由於電器特性，只要Bus上 有一人將 CAN_H及CAN_L 電壓拉開，形成顯性（0）訊號，則 CAN Bus上 將僅會出現顯性（0）訊號，而不會出現隱性（1）訊號
3. 承上，送出訊號 1(隱性) 的 ECU，只需要回頭檢查 CAN Bus上：當前訊號是否不是隱性（1）訊號；就知道自己仲裁失敗，應該閉嘴

Wiki這邊有個很好的例子：
參考 #資料傳輸 下面的表格
同一條 CAN Bus上，有 Node 15 & Node 16 兩個設備，在同一個時間點 要傳送資料出去；則 
... 依上所述，前半部 資料相同部分，雙方持續傳送資料；... 直至 "先送出1的人閉嘴" 

由於能傳送 8 bytes，所以 一道訊息，最多能傳送 (8 bytes * 8 bits) = 64 種 現場設備狀態，或是控制訊號
但是，一台設備 需要傳送/接收的訊息，通常不只上百種
所以，同一台設備 是極有可能同時背負著許多不同的 Message ID，用來表示許多不同的設備狀態或是動作要求 
實際運用上，(除UDS外)也多定義 一台設備，配備多條不同Message ID的訊息來傳送資料 或接收控制訊號
由於Message ID同時兼顧了碰撞仲裁機制，所以 同一條Bus上，不允許出現有 不同設備使用相同Message ID的狀況發生