車用 CAN bus 通訊架構＆訊號監測方法
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在現代汽車與工業自動化系統中，內部電子控制單元（ECU）數量動輒數十甚至上百個。從電動車的電池管理系統（BMS）、馬達控制器，到車窗升降與煞車控制，這些模組能順暢地彼此對話，全賴車載網路技術。
在眾多車載通訊協定中，CAN bus（Controller Area Network，控制器區域網路） 扮演著最核心的「數位神經骨幹」角色。本文將從車載網路拓撲切入，簡介 CAN bus 的工作原理、封包結構，及 CAN bus 的訊號監控方法。
一、 現代車載網路拓撲：為何汽車需要多種匯流排？
以汽車為例，一台車中涵蓋因應各種功能的不同車用模組，每個模組對資料傳輸的要求皆不同，在工程設計中，無法同時兼顧高速傳輸、穩定性與低成本。例如：
車窗、座椅：資料量小且非安全關鍵，需要極低成本的方案。
引擎、煞車控制：高度要求穩定性、即時速度快（優先傳輸）。
高畫質影音與自動駕駛感測器：需要極高的頻寬。
因此，車用網路採用分工合作的「網路中的網路（Network of Networks）」架構，主要通訊協定如下：
通訊協定 | 主要應用場景 | 最高傳輸速率 | 架構與物理層特性 | 存取控制方式 |
LIN | 車門、車窗、雨刷、座椅控制 | ~20 kbps | 單主控（Single Master）、單線傳輸 | 主控輪詢（Polling） |
引擎、變速箱、電池管理、車身主控 | 1 Mbps（CAN） / 8+ Mbps（CAN FD） | 多主控（Multi-Master）、雙線差動訊號 | 位元仲裁 (Bitwise Arbitration) | |
FlexRay | 線控轉向（Steer-by-Wire）、主動懸吊 | ~10 Mbps | 雙通道備援、雙線或光纖 | 時分多址（TDMA 時間觸發） |
Automotive Ethernet | ADAS 多鏡頭、影像傳輸、OTA 更新 | 100 Mbps ~ 1 Gbps+ | 全雙工傳輸、單對雙絞線 | 點對點封包交換 |
以上這些不同的網路會在車內的 Gateway 進行訊號匯集與翻譯，將資料轉發給需要的模組。
二、 CAN 核心工作原理剖析
CAN 協定屬於共享匯流排拓撲（Shared Bus Topology）。在匯流排上沒有節點位址，而是基於訊息內容進行廣播，每個節點均可發送與接收資料。
1. 雙絞差動訊號與抗干擾機制
CAN bus 物理層（Physical Layer）採用 CAN High（CAN_H） 與 CAN Low（CAN_L） 兩條雙絞線傳輸。當車輛行駛或工廠環境產生電磁干擾（EMI）時，干擾會同時影響 CAN_H 與 CAN_L，使其電壓同步上升或下降。接收端透過計算兩線的壓差，來還原邏輯訊號，並抵銷共同雜訊。
顯性電位（Dominant State, 邏輯 0）：CAN_H 升至約 3.5V，CAN_L 降至約 1.5V，電壓差約 2V。
隱性電位（Recessive State, 邏輯 1）：CAN_H 與 CAN_L 電壓均維持在約 2.5V，電壓差趨近 0V。
※ 在 CAN 邏輯中，顯性位元（0）永遠會覆蓋隱性位元（1）。
2. 位元仲裁（Bitwise Arbitration）
由於多個 ECU 可能同時想在匯流排上發言，CAN bus 採用了基於訊息 ID 的仲裁機制；此機制保證緊急訊號（如煞車警示）的優先權，不會因訊號碰撞而延遲。
每個 CAN 封包都帶有一個識別碼（ID），數值越小代表優先權越高，例如以下步驟：
當多個模組同時發送 ID 時，節點會一邊發送、一邊監聽匯流排的實際電位。
當 A 節點發送「1（隱性）」，卻讀取到匯流排被 B 節點拉成「0（顯性）」時，代表 B 有更高優先權的訊息正在傳輸 → B 的顯性位元 0 會覆蓋 A 的隱性位元 1 。
A 節點會立即停止發送，轉為接收模式，等待匯流排空閒後再重新嘗試。
當沒有節點進行傳輸時，匯流排處於空閒狀態（隱性狀態）。當節點在匯流排上聲明主導狀態時，傳輸開始。傳輸以「幀起始位元（SOF）」開始，隨後立即進入「識別碼（Identifier）」段進行仲裁。
3. 非同步傳輸與位元填充（Bit Stuffing）
由於 CAN 為非同步序列通訊，接收器需依賴電位轉換邊緣來進行重新同步（Re-synchronization）。為了避免連續相同位元導致時序漂移，CAN 採用位元填充（Bit Stuffing） 機制：當資料流中出現連續 5 個相同位元時，發送端會強制插入一個相反極性的位元，接收端在解碼時會自動丟棄此填充位元（下圖紫色）。
三、 CAN 封包結構與硬體架構
1. 數據幀（Data Frame）結構解析
一個標準的 CAN 數據幀（Layer 2 Data Link Layer）包含以下核心區段：
SOF（Start of Frame）：1 位元的顯性電位，宣告封包開始。
Arbitration Field（仲裁段）：包含 11 位元（Standard CAN）或 29 位元（Extended CAN）的識別碼 ID，決定訊息優先權。
DLC（Data Length Code）：指示後續資料段包含多少 Bytes（最高支持 8 Bytes；CAN FD 則最高支援 64 Bytes）。
Data Field（資料段）：實際傳輸的控制數據（CAN 為 0 至 8 Bytes；CAN FD 為 0 至 64 Bytes）。
CRC Field：循環冗餘校驗，接收端藉此驗證傳輸過程是否產生位元錯誤。
ACK Bit：接收端確認位元，若接收成功，接收端會在該時隙主動發送顯性電位拉低匯流排。
2. CAN 節點的硬體三層架構
一個完整的 CAN 模組包含三個組件：
微控制器： 執行應用程式，決定要傳送或接收的資料內容。
CAN 控制器 (CAN Controller)： 負責協定層處理，包括封包組裝、仲裁、位元填充及錯誤偵測。
CAN 收發器 (CAN Transceiver)： 將控制器的數位訊號轉換為匯流排的差動電壓，並反向接收。
四、使用 Saleae Logic Analyzer 監測 CAN bus
〈Saleae Logic Analyzer Pro〉邏輯分析儀具有 8 通道、16 通道兩種規格，並內建 500 MS/s 數位取樣率。適合用於進行 CAN bus 通訊內容分析、執行協定逆向工程或長期追蹤特定 ID 訊息。
1. 硬體準備與連接方式
根據裝置規格，Saleae Logic Pro 支援數位與類比訊號採樣，輸入電壓範圍可達 −10V 至 +10V，足以應對大多數 CAN 邏輯準位。可以用兩種方法進行連接：
方法 A：直接連接 CAN 控制器（邏輯側） 這是最推薦的方式。將邏輯分析儀的通道直接接在 CAN 控制器與 CAN 收發器之間 的 TX 或 RX 引腳上。此處的訊號為標準 TTL 準位（通常為 0V/5V 或 0V/3.3V），不需經過差動轉換即可精準解碼。
方法 B：連接 CAN 匯流排（Bus 側） 若無法接觸到電路板內部，需監測匯流排上的 CAN_H 與 CAN_L。由於邏輯分析儀主要處理邏輯電位，建議在分析儀前加裝一個 CAN 收發器模組，將匯流排的差動訊號轉換回邏輯訊號後再輸入分析儀。
※ 共同接地（GND）： 須將邏輯分析儀的接地端與待測系統的 GND 連接，以確保電位基準一致。
2. Saleae Logic 2 軟體設定步驟
開啟軟體並選擇通道： 開啟 Saleae Logic 2 軟體，確認裝置已識別。
加入分析插件（Analyzer）： 在右側面板選單點擊「+」，選擇 「CAN」，設定在通道 0 上擷取 CAN 訊號。
配置參數：
Input Channel： 選擇您連接 TX/RX 訊號的通道。
Bit Rate： 設定與受測平台一致的Bit Rate（如 500,000 ）。
Inverted： 若連接的是收發器的 RX/TX 腳位，通常不需勾選反相。
開始採樣： 點擊 Start，軟體會自動將波形轉譯為十六進位（Hex）或十進位的封包格式。
3. 邏輯分析儀的優勢
封包層級檢視： 不同於示波器僅能看一段短時間的波形，Saleae 可以長時間紀錄並自動標註：識別碼（ID）、資料段（Data）、CRC 以及 ACK 狀態。
搜尋與過濾： 可直接搜尋特定的 ID（例如煞車訊號 ID：0x123），快速定位通訊異常發生的瞬間。
資料匯出： 可將監測到的所有通訊內容匯出為 CSV 檔，用於後續的數據分析或模擬測試。
邏輯分析儀 - 規格 | Saleae Logic Pro 8 | Saleae Logic Pro 16 |
輸入 | ||
多用途(A/0/Both) | 8 | 16 |
混合訊號輸入可錄製為數位、類比 、或兩者皆有。 | ||
輸入阻抗 | 2MΩ | 2MΩ |
輸入電容 | 10pF | 10pF |
輸入保護 | 土25V | 土25V |
數位訊號 | ||
取樣率（最大） | 500MS/s | 500MS/s |
所有資料即時透過 USB 傳輸，最大取樣率取決於使用的數位和類比通道數。 | ||
最快數位訊號 | 100MHz | 100MHz |
僅數位，所有資料即時透過 USB 傳輸，最大取樣率取決於使用的數位和類比通道數。 | ||
取樣深度（典型） | 10+Billion | 10+Billion |
支援邏輯電平 | 1.2V- 5.5V | 1.2V- 5.5V |
使用 RS-232、422/3、485 | 是，直接 | 是，直接 |
閾值電壓 | 可供選擇 0.6V/0.9V/1.65V | 可供選擇 0.6V/0.9V/1.65V |
類比訊號 | ||
取樣率（最大） | 50MS/s | 50MS/s |
所有資料即時透過 USB 傳輸，最大取樣率取決於使用的數位和類比通道數。 | ||
頻寬(-3dB) | 5MHz | 5MHz |
Pro 8 和 Pro 16 的最大頻寬取決於使用的通道數和類型；較低的頻寬以相同的速率取樣．但會進行降採樣（過濾/降低取樣率）。 | ||
位元數/ ADC的位元數。 | 12bit | 12bit |
輸入電壓範圍 | -10V to 10V | -10V to 10V |
在實際應用中．可用範圍略寬，每個 Logic 都經過 DC 校準 INL 和 DNL 經過測試。 | ||
Nyquist時的衰減 | -50dB 或更好 | -50dB 或更好 |
Nyquist 時的衰減是「抗混淆濾波器效果」的度量；在 Nyquist 頻率以上的訊號，會以何種程度顯示為 FFT 中的混淆訊號。 | ||
通道間串擾 | -50dB 或更好 | -50dB 或更好 |
通道間串擾，衡量「一個通道上的訊號，會影饗另一個通道的程度」的方法，通常根據被測通道的接地情況測得。 | ||
設備包含 | ||
Test Lead Set 測試引導套裝 | X2 | X4 |
引導套裝包含 8 條線．其中 4 條用於傳輸訊號．另外 4 條是地線；每條線都有特定的顏色編碼和編號；引導套裝的線材採用 22AWG 65/40規格．不容易扭曲；9英寸(23 cm)畏，端口可連接測試夾或 0.1 英寸 IDE 樣式標頭引腳。 | ||
翔宇科技代理 Saleae Logic Analyzer 系列產品，若您有 MDIO、I2C、I3C、SPI、UART、CAN、USB、SMBus、SWD 等序列匯流排分析需求，歡迎與翔宇科技聯絡，我們可協助您選擇合適的邏輯分析儀，並提供產品規劃、技術諮詢與應用支援，協助您更有效率完成嵌入式系統與乙太網路裝置的開發及除錯工作。
參考資料：
