Fundamentos del CAN Bus: capa física, estructura de trama y detección de errores

Capa física ISO 11898-2 y señalización diferencial

ISO 11898-2 define el CAN de alta velocidad — la variante utilizada en casi todas las aplicaciones de automatización de edificios e industriales. La capa física utiliza un par diferencial: CAN_H (CAN High) y CAN_L (CAN Low), ambas referenciadas a GND. En el estado recesivo (lógica 1), ambas líneas flotan a aproximadamente 2,5V y la tensión diferencial es 0V. En el estado dominante (lógica 0), CAN_H se lleva a aproximadamente 3,5V y CAN_L a aproximadamente 1,5V, dando un diferencial de 2V inmune al ruido de modo común hasta ±30V.

Use par trenzado apantallado con una impedancia característica de 120Ω — Belden 9841 (par único, 24AWG) o equivalente. Conecte el apantallamiento solo en un extremo (típicamente en el cuadro) para evitar bucles de tierra. Ambos extremos del segmento de bus deben terminarse con una resistencia de 120Ω entre CAN_H y CAN_L. La terminación dividida (dos resistencias de 60Ω con un condensador de 4,7nF a tierra en el punto medio) mejora el rendimiento EMC en entornos de alto ruido.

CAN bus cable (Belden 9841 or equivalent, 120Ω STP):
  CAN_H  → CAN_H terminals on all nodes
  CAN_L  → CAN_L terminals on all nodes
  GND    → GND terminals on all nodes (reference, not signal ground)

Termination resistors:
  Node 1 (first node on bus): 120Ω between CAN_H and CAN_L
  Node N (last node on bus): 120Ω between CAN_H and CAN_L
  All intermediate nodes: NO termination

Measure termination (bus powered off):
  CAN_H to CAN_L resistance should read ~60Ω
  (Two 120Ω resistors in parallel = 60Ω)
  Values outside 54–66Ω indicate missing or extra termination

Velocidad de bits versus longitud de cable

La velocidad de bits de CAN bus está limitada por el retardo de propagación — el tiempo que tarda una señal en viajar al nodo más alejado y volver antes de que termine el período de bit. ISO 11898-2 especifica las combinaciones estándar de velocidad de bits y longitud de cable. Los sistemas de automatización de edificios raramente necesitan 1 Mbit/s; 125 kbit/s o 250 kbit/s es típico para equipos HVAC en recorridos de cable de 100–500m entre salas de máquinas.

Estructura de trama CAN

La trama de datos CAN estándar (ISO 11898-1) consta de siete campos. Entender el campo de ID de arbitraje es crítico para la configuración CANopen — el COB-ID (Communication Object Identifier) utilizado en CANopen es el ID CAN estándar de 11 bits. Las tramas extendidas utilizan IDs de 29 bits y se usan en CANopen con COB-IDs de 4 bytes (modo de direccionamiento extendido).

Mecanismos de detección de errores

CAN tiene cinco mecanismos independientes de detección de errores que operan simultáneamente. Cada error detectado hace que todos los nodos descarten la trama actual y el transmisor reenvíe. Un nodo que causa errores repetidamente pasa del estado error-active a error-passive y luego al estado bus-off, protegiendo la red de un nodo defectuoso.

Arbitraje bitwise no destructivo

Cuando dos o más nodos intentan transmitir simultáneamente, CAN resuelve el conflicto mediante arbitraje bitwise sin destruir ninguno de los mensajes. Cada nodo monitorea el bus mientras transmite — si un nodo transmite un bit recesivo (1) pero lee un bit dominante (0), inmediatamente deja de transmitir y cambia al modo receptor. El nodo con el ID de arbitraje numérico más bajo siempre gana.

En CANopen, esto significa que los COB-ID más bajos tienen mayor prioridad. Los mensajes de emergencia (EMCY, COB-ID 0x080 + ID de nodo) y los mensajes heartbeat reciben COB-ID más bajos que los datos PDO — asegurando que las alarmas nunca se retrasen detrás del tráfico de datos de proceso. Asigne los ID de nodo más bajos a los dispositivos más críticos como pasarelas de paneles de incendio o controladores de alarmas de enfriadores.

CAN FD — Flexible Data-rate

CAN FD (ISO 11898-1:2015) extiende el CAN clásico con dos mejoras: una velocidad de bits de fase de datos variable de hasta 8 Mbit/s (frente a 1 Mbit/s para CAN clásico) y un tamaño de carga útil de hasta 64 bytes (frente a 8 bytes). La fase de arbitraje sigue funcionando a la velocidad clásica para compatibilidad — solo la fase de datos cambia a la velocidad más alta después del bit BRS (Bit Rate Switch).

Herramientas de diagnóstico

Use un analizador CAN durante la puesta en marcha para verificar el tráfico del bus, monitorear las tramas de error y confirmar los ID de nodo antes de integrar con una pasarela CANopen. Tres herramientas son estándar en la industria.