8.4 CAN和I2C总线

8.4 CAN和I2C总线

一、CAN 总线

CAN 是工业控制和汽车电子里非常重要的总线。

全称：Controller Area Network控制器局域网络

它属于：现场总线 Field Bus

1. CAN 的产生背景

CAN 最早由德国 Bosch 公司开发，主要是为了解决汽车内部大量控制器之间的数据交换问题。

汽车里有很多控制单元，比如：

发动机控制器 ABS 控制器 车身控制器 仪表盘 传感器 执行机构

如果每两个设备都单独连线，线束会非常复杂。

CAN 的想法是：让多个控制器挂在同一条总线上，通过消息进行通信。

2. CAN 的可靠性

教材说 CAN 使用：

CRC 校验 特殊的数据编码 错误识别 自动重发

所以 CAN 通信可靠性比较高。

这也是它适合汽车和工业现场的原因，因为这些环境：

电磁干扰强 实时性要求高 可靠性要求高 布线环境复杂

3. CAN 的实时性

教材提到 CAN 的传输速率可以达到：1 Mb/s

并且高优先级数据可以优先占用总线。

这说明 CAN 不是简单地大家排队，它有优先级机制。

可以理解为：重要消息优先发送。

比如汽车中刹车相关的信息，优先级肯定要高于普通舒适系统的信息。

4. CAN 的灵活性

CAN 是多主站结构。

也就是说，不是只有一个固定主机控制所有通信，多个节点都可以尝试发送数据。

但同一时刻只能有一个节点真正占用总线。

CAN 可以支持不同物理介质，比如：双绞线，同轴电缆，光纤

教材还说每帧数据量为：8 字节

这个点很重要，经典 CAN 的数据帧数据域最大就是 8 字节。

5. CAN 的发展

教材中提到：

Intel 82526 Philips 82C200 CAN 2.0A CAN 2.0B

CAN 2.0 分成 A 和 B：

CAN 2.0A：与原 CAN 1.2 类似 CAN 2.0B：增强版，也叫扩展 CAN

简单理解：

A 是标准帧； B 支持扩展帧。

6. CAN 的应用

CAN 最初用于汽车，但现在应用很广。

教材列了很多领域：

汽车 工业控制 生产自动化 机械制造 纺织机械 农用机械 机器人 数控机床 医疗器械 建筑物监控 火车 船舶 传感器网络

一句话总结：CAN 适合实时性、可靠性要求高的分布式控制系统。

九、I²C 总线（51和stm32要用的神）

I²C 也是非常重要的总线，尤其在嵌入式系统中常见。

全称：Inter-IC

意思是：芯片之间的通信总线

1. I²C 的基本概念

I²C 最早由 Philips 推出，是一种同步串行总线。

它只有两根信号线：

SDA：串行数据线 SCL：串行时钟线

所以也叫：二线制总线

2. I²C 连接方式

I²C 总线上可以挂多个器件。

例如：

单片机 EEPROM 温度传感器 RTC 时钟芯片 LCD 驱动器 键盘接口 A/D 转换器 D/A 转换器

每个器件通过地址区分。

也就是说，主机发通信时会先指定地址：

我要找地址为 0x50 的 EEPROM。

只有地址匹配的器件响应。

3. I²C 的电路特点

核心特点是：SDA 和 SCL 都需要上拉电阻。

I²C 总线通常采用开漏或开集电极输出。

也就是说，器件一般只能主动把总线拉低，不能主动输出高电平。

高电平由上拉电阻提供。

所以总线状态类似：

没有设备拉低 → 线为高电平 有设备拉低 → 线为低电平

这样多个器件可以安全地共享两根线。

4. I²C 的优点

教材总结 I²C 的优点是：

简单 有效 占用空间小 芯片管脚少 互连成本低 支持多主控

由于只有两根线，所以非常适合板级芯片互连。

例如在一块主板上，如果 CPU 要同时连接很多传感器和小芯片，用 I²C 可以大大减少连线数量。

5. I²C 支持多主控

教材说 I²C 支持：

multi-mastering，多主控

也就是多个器件都可以成为主机。

但同一时刻只能有一个主机控制总线。

可以理解为：

系统中可以有多个主机候选者； 但某个时刻只有一个主机真正发起通信。

6. I²C 的教材参数

教材这里给出的参数是：

总线长度最高 25 英尺 最大传输率 10 Kb/s 可支持 40 个组件

这个是教材当时针对某种 I²C 应用背景的描述。你考试按教材记即可。

现代 I²C 实际常见速率还有：

100 kHz 400 kHz 1 MHz

但如果是这本书的题目，优先按书上的说法答。

7.I2C总线协议规范和流程

我补一个I2C总线的规范和使用协议吧，毕竟其他的总线我也不太懂，只是了解罢了，I2C这个细节我都清楚。

规范：所有I2C设备的SCL（时钟线）连在一起，数据线SDA连在一起

设备的SCL和SDA均要配置开漏输出模式，SCL和SDA各添加一个上拉电阻

开漏输出和上拉电阻解决通信互相干扰的问题（这些不怎么重要知道就好，我们的重心不是电路）

原理：SCL高电平工作，低电平休息，SCL在高低电平切换，每高低一次传输1位数据，SDA高电平表示逻辑1，低电平逻辑0，发送时主机操控SDA，接受时从机操纵SDA

然后注意第九位的工作期间，SDA由主机交给从机，MCU运用从设备电路把SDA设位低电平，也就是每8位数据传输回复1位应答位，高电平有应答，低电平无应答。

确定工作区间：

在一个SCL工作区间，SDA由高转低表示起始位，低转高表示结束位

也就是数据层面表示 S DATA A P

和上面说的以此对应：起始 数据 答 停

（还有第一个数据的不同位置表示器件地址，寄存器地址什么的就不多讲了，具体用到再细说）

十、USB、IEEE 1394、CAN、I²C 对比

这几种外总线容易混，可以这样对比：

十一、重点记忆

这几页最该记的是：

1. USB 端点是设备内部的通信终点。 2. USB 端点 0 是默认控制端点，所有 USB 设备必须有。 3. USB 管道是主机软件和设备端点之间的逻辑通道。 4. USB 有四种传输：控制、同步、中断、批量。 5. USB 枚举包括复位、默认地址通信、分配地址、读取描述符、设置配置。 6. USB 包由同步字段、PID 和其他字段组成。 7. IEEE 1394 又叫 FireWire/i.LINK，适合高速音视频。 8. CAN 是现场总线，适合汽车和工业控制，可靠性和实时性强。 9. I²C 是 SDA/SCL 两线制同步串行总线，适合 IC 器件之间通信。

十二、简答题模板

1. 简述 USB 的四种传输类型。

USB 定义了控制传输、同步传输、中断传输和批量传输四种传输类型。控制传输主要用于设备配置、命令和状态操作，端点 0 默认采用控制传输；同步传输主要用于音频、视频等与时间有关的连续数据传输，强调实时性；中断传输主要用于键盘、鼠标等设备向主机报告服务请求，数据量小且延迟固定；批量传输主要用于 U 盘、打印机等大数据量传输，利用总线剩余带宽并保证可靠性。

2. 什么是 USB 端点和管道？

USB 端点是 USB 设备内部可被主机访问的通信终点，用于完成特定方向和类型的数据传输。每个 USB 设备必须具有端点 0，端点 0 用于设备初始化和控制传输。USB 管道是主机软件与设备端点之间建立的逻辑通信通道，主机通过管道和设备端点交换数据，USB 本身不解释管道中传输的数据内容。

3. 简述 USB 设备的枚举过程。

当 USB 设备接入总线时，集线器通过状态变化通知主机。主机查询集线器确定发生变化的端口，并对该端口发送复位和使能信号。复位结束后，设备以默认地址 0 通过端点 0 响应主机。主机读取设备描述符，确定设备能力和最大数据包长度，然后为设备分配唯一地址。之后主机继续读取配置、接口和端点描述符，并选择合适配置，使设备进入配置完成状态并开始正常工作。

4. IEEE 1394 有什么特点？

IEEE 1394 是一种高速串行总线，又称 FireWire 或 i.LINK，主要用于音频、视频和高速外设连接。它支持同步和异步两种传输方式，具有较高的数据传输速率，支持点对点传输、热插拔、即插即用和灵活拓扑结构。IEEE 1394 可用于实时传输声音和图像数据，也可用于普通数据和设备控制命令的传输。

5. CAN 总线为什么适合汽车和工业控制？

CAN 总线是一种现场总线，具有可靠性高、实时性好、连接方便和抗干扰能力强等特点。它采用 CRC 校验、错误识别和自动重发机制来保证通信可靠性；通过优先级机制保证高优先级数据优先传输；采用多主站结构，使多个节点可以直接通信。因此 CAN 总线非常适合汽车电子、工业控制和分布式控制系统。

6. 简述 I²C 总线的特点。

I²C 总线是一种用于 IC 器件之间通信的同步串行总线，只使用 SDA 串行数据线和 SCL 串行时钟线两根信号线。总线上的器件通过地址识别通信对象，多个器件可以挂接在同一总线上。I²C 总线结构简单、占用管脚少、互连成本低，并支持多主控方式，但同一时刻只能有一个主机控制总线。

这一章收尾可以总记成一句话：

系统总线重在主板内部高速互连，外总线重在主机和外设连接；USB 强调通用和即插即用，IEEE 1394 强调高速音视频，CAN 强调工业实时可靠，I²C 强调芯片间简单低成本互连。

窗体顶端

窗体底端