在CAN总线通信中，收发器（CAN Transceiver）是不可或缺的组件，尽管微控制器（MCU）或CAN控制器已经处理了协议逻辑，但收发器在物理层的作用至关重要。以下是详细原因和解释：

**1. 信号电平转换：逻辑电平 ↔ 差分信号

• CAN控制器的输出：

• CAN控制器（如STM32内置的CAN模块或外置的MCP2515）输出的是TTL/CMOS逻辑电平（0V~3.3V或0V~5V）。

• 这种电平信号抗干扰能力弱，无法直接用于长距离传输。

• CAN总线的需求：

• CAN总线采用差分信号（CAN_H和CAN_L），通过两者的电压差（通常为2V~3V）表示逻辑“1”和“0”。

• 差分信号能有效抵抗电磁干扰（EMI），适合长距离（如100米以上）和工业/汽车等恶劣环境。

• 收发器的作用：

• 将逻辑电平转换为差分信号（发送时）。

• 将差分信号还原为逻辑电平（接收时）。

类比：

• 就像两个人通过电话线通话，控制器是“说话的人”，收发器是“电话机”，负责将声音（逻辑电平）转换为电信号（差分信号）并传输到总线上。

**2. 电气隔离与保护

• 总线环境恶劣：

• CAN总线可能暴露在高压、高噪声、瞬态电压等环境中（如汽车电子中的点火系统干扰）。

• 直接连接控制器可能导致芯片损坏或通信不稳定。

• 收发器的保护功能：

• 热保护：当总线短路或过载时，收发器会自动关闭输出，防止过热。

• 静电放电（ESD）保护：防止静电击穿芯片。

• 总线故障保护：如总线短路到地或电源时，收发器能自动隔离故障。

• 电气隔离（可选）：

• 某些收发器（如TJA1042T）支持集成隔离电路（如磁耦），进一步保护控制器免受高压冲击。

示例：

• 在汽车电子中，CAN总线可能直接连接到电池（12V/24V），而控制器工作在3.3V/5V。收发器负责电压转换和隔离，确保控制器安全。

**3. 总线驱动与负载匹配

• 总线驱动能力：

• CAN总线需要足够的驱动能力来支持多个节点（最多110个，视总线长度和速率而定）。

• 控制器本身的驱动能力较弱，无法直接驱动总线。

• 收发器的驱动能力：

• 收发器内置高驱动能力的输出级，能够稳定驱动CAN_H和CAN_L信号。

• 终端电阻匹配：

• 收发器需要与总线两端的120Ω终端电阻配合，确保信号反射最小化。

数据对比：

• 控制器输出电流：通常<10mA。

• 收发器输出电流：通常>50mA，足以驱动总线。

**4. 抗干扰与信号完整性

• 差分信号的优势：

• 差分信号通过CAN_H和CAN_L的电压差传输数据，能有效抑制共模干扰（如电源噪声、电磁辐射）。

• 收发器通过精确的差分放大器设计，确保信号在总线上的完整性。

• 总线长度与速率：

• 收发器支持不同的总线速率（如10kbps~5Mbps）和长度（如1Mbps时最长40米）。

• 高速CAN（如CAN FD）需要更高性能的收发器（如TJA1042T）。

实验验证：

• 在无收发器的情况下，直接用逻辑电平连接总线，通信距离可能不足1米，且极易受干扰。

• 使用收发器后，通信距离可扩展至100米以上，且误码率显著降低。

**5. 标准化与兼容性

• CAN总线标准：

• CAN总线遵循ISO 11898标准，规定了物理层的电气特性（如差分电压范围、信号斜率等）。

• 收发器严格遵循这一标准，确保不同厂商的设备能够互操作。

• 控制器与收发器的独立性：

• 控制器和收发器通过标准接口（如TTL电平）连接，便于替换和升级。

• 例如，STM32F103（内置CAN控制器）可以搭配TJA1050、MCP2551或TJA1042T等不同收发器。

兼容性示例：

• 汽车电子中，不同供应商的ECU（发动机控制单元、ABS等）可能使用不同的MCU和收发器，但通过标准CAN总线仍能可靠通信。

**6. 成本与灵活性

• 分立设计的优势：

• 将控制器和收发器分开，可以降低整体成本。

• 用户可以根据需求选择不同性能的收发器（如高速、隔离、工业级等），而无需更换控制器。

• 集成方案的局限性：

• 某些SoC（如NXP S32K系列）可能集成控制器和收发器，但通常仍提供外置收发器的选项以增强灵活性。

• 集成方案可能增加功耗和发热，不适合低功耗应用。

成本对比：

• 分立方案（MCU + 收发器）：成本较低，适合大多数应用。

• 集成方案：成本较高，仅适用于特定场景（如高度集成化的模块）。

**7. 实际应用中的必要性

• 典型应用场景：

• 汽车电子：发动机控制、车身控制、ADAS等。

• 工业自动化：PLC、传感器网络、机器人控制等。

• 物联网：智能家居、智能电网等。

• 无收发器的后果：

• 通信距离短、抗干扰能力差、易损坏控制器。

• 无法满足工业或汽车电子的可靠性要求。

案例分析：

• 在汽车电子中，CAN总线需要承受高温、高压、强电磁干扰等极端条件。收发器通过隔离、保护和差分信号传输，确保通信稳定可靠。

• 在工业自动化中，CAN总线可能连接数十个节点，收发器的高驱动能力和负载匹配能力是通信成功的关键。

总结：为什么需要收发器？

1. 信号转换：将逻辑电平转换为差分信号，适应总线需求。

2. 电气隔离与保护：防止高压、噪声、静电等损坏控制器。

3. 总线驱动与负载匹配：确保信号在总线上的稳定传输。

4. 抗干扰与信号完整性：差分信号和收发器设计提高通信可靠性。

5. 标准化与兼容性：遵循ISO 11898标准，确保不同设备互操作。

6. 成本与灵活性：分立设计降低成本，便于升级和替换。

直接结论：

• CAN总线通信中，收发器是物理层的核心组件，负责信号转换、电气隔离、总线驱动和抗干扰等关键功能。

• 尽管控制器已经处理了协议逻辑，但收发器的作用不可替代，尤其是在工业、汽车等恶劣环境中。

建议：

• 在设计CAN总线系统时，务必选择合适的收发器（如TJA1050、MCP2551、TJA1042T等），并根据应用需求考虑是否需要隔离、高速或工业级特性。