📚 课程目录第2章 CAN总线基础

2. CAN总线基础

DroneCAN 与 Cyphal 都构建在经典 CAN 总线之上，因此理解 CAN 的底层行为，是后续调试节点通信、分析总线负载、定位丢帧与错误帧的前提。本节从物理层电气特性出发，逐层向上梳理帧格式、仲裁机制、错误处理与位定时，形成一条完整的“信号—位—帧—仲裁—容错—时序”认知链。

一、物理层：差分信号与终端电阻

经典 CAN 使用两根差分信号线 CAN_H 与 CAN_L，采用“显性位”和“隐性位”两种电平状态。显性位（逻辑 0）驱动总线到约 2.5V 以上的差分电压，隐性位（逻辑 1）差分电压接近 0V。显性位具有“覆盖”隐性位的特性，这正是仲裁机制能够工作的电气基础。

总线两端必须各接一个 120Ω 终端电阻，用于吸收信号反射、稳定差分阻抗。若缺少终端电阻，波形会出现振铃，采样点误判概率显著上升；若只在一端接电阻，阻抗不匹配同样会导致通信不稳定。无人机中常见的 4 针 CAN 接口（CAN_H、CAN_L、GND、VCC）在布线时需保证双绞、等长、短分支。

经验值：1 Mbps 下总线总长度建议不超过 40m；250 kbps 下可到约 250m。分支线（stub）长度应控制在 0.3m 以内，否则反射会破坏位采样。

二、帧格式：标准帧与扩展帧

CAN 2.0B 定义了标准帧（11 位标识符）与扩展帧（29 位标识符）。一帧数据帧主要由以下字段组成：

SOF：帧起始，1 个显性位，用于硬同步。
仲裁场：标准帧为 11 位 ID + RTR；扩展帧为 11 位基本 ID + SRR + IDE + 18 位扩展 ID + RTR。
控制场：IDE、r0、DLC（数据长度码，0~8 字节）。
数据场：0~8 字节有效载荷。
CRC 场：15 位 CRC + 1 位界定符，用于检错。
ACK 场：发送方发隐性位，任一正确接收的节点拉低为显性位表示应答。
EOF：7 个隐性位，帧结束。

DroneCAN 使用扩展帧，29 位 ID 中承载了源节点、目标节点、消息类型等信息；Cyphal 同样基于扩展帧，通过 ID 编码优先级、服务/消息类型与节点标识。因此，抓包工具中看到的 ID 并非“地址”，而是被协议层重新解释的复合字段。

三、仲裁机制：非破坏性逐位仲裁

当多个节点同时发送时，CAN 采用 CSMA/CR（载波侦听多路访问/冲突解决）机制。每个节点在发送每一位的同时回读总线电平：若自己发送隐性位而读回显性位，说明有更高优先级节点正在发送，该节点立即退出仲裁，转为接收状态，且不会破坏已获胜帧的数据。

仲裁按 ID 逐位比较，ID 数值越小（显性位越多）优先级越高。这意味着在 DroneCAN/Cyphal 中，优先级字段的设计直接决定了哪些消息在总线拥塞时先被发送。例如，飞控的姿态控制消息通常配置为高优先级，而调试日志类消息配置为低优先级。

四、错误处理：五类错误与状态机

CAN 定义了五种错误类型：位错误、填充错误、CRC 错误、格式错误、应答错误。任一节点检测到错误后，会发送错误帧（6 个连续显性位）通知全网，发送方随后自动重发。为限制故障节点持续破坏总线，CAN 引入 TEC（发送错误计数器）与 REC（接收错误计数器），并据此划分三种状态：

状态	进入条件	行为	退出条件
错误主动 Error Active	TEC ≤ 127 且 REC ≤ 127	正常收发，可发送主动错误帧	—
错误被动 Error Passive	TEC > 127 或 REC > 127	仍可通信，但只发被动错误帧，发送后需额外挂起	TEC 与 REC 均降至 127 以下
总线关闭 Bus Off	TEC > 255	主动断开总线，停止收发	检测到 128 次连续 11 个隐性位后恢复

无人机场景中，若某节点反复进入 Bus Off，常见原因是终端电阻缺失、地电位差过大、线缆过长或波特率配置不一致。不要只在上层重发逻辑上找原因。

五、位定时：采样点与同步

CAN 位时间被划分为四个段：同步段（SYNC_SEG）、传播段（PROP_SEG）、相位缓冲段 1（PHASE_SEG1）和相位缓冲段 2（PHASE_SEG2）。采样点位于 PHASE_SEG1 结束处，通常建议设置在位时间的 75%~87.5% 之间。位时间由若干时间份额 Tq 组成，Tq 由系统时钟分频得到。

位时间 = SYNC_SEG + PROP_SEG + PHASE_SEG1 + PHASE_SEG2
       = 1 Tq + PROP_SEG + PHASE_SEG1 + PHASE_SEG2

采样点位置 = (1 + PROP_SEG + PHASE_SEG1) / 总 Tq 数 × 100%

示例（1 Mbps，采样点 87.5%）：
  总 Tq = 8
  SYNC_SEG   = 1 Tq
  PROP_SEG   = 2 Tq
  PHASE_SEG1 = 4 Tq
  PHASE_SEG2 = 1 Tq
  采样点 = (1+2+4)/8 = 87.5%

硬同步发生在 SOF 下降沿，使节点位时间对齐；重同步则通过 SJW（同步跳转宽度）在检测到边沿相位误差时微调 PHASE_SEG1 或 PHASE_SEG2。SJW 通常设为 1~4 Tq，过大易受噪声影响，过小则难以补偿晶振偏差。

六、案例与复盘：总线偶发丢帧排查

某四旋翼在 1 Mbps 下偶发 DroneCAN 节点掉线。抓包显示错误帧集中在电机启动瞬间，TEC 快速上升。排查发现：电机电源线与 CAN 双绞线并行捆扎，且飞控端终端电阻未焊接。整改措施：

CAN 线远离动力线，交叉时保持 90°；
补齐两端 120Ω 终端电阻；
将采样点从 75% 调整到 87.5%，提高抗反射能力；
确认所有节点波特率与 SJW 配置一致。

整改后错误帧消失，总线负载稳定在 35% 以下。该案例说明：CAN 的物理层、位定时与错误处理并非孤立知识点，而是共同决定总线可靠性的整体。理解仲裁如何保证高优先级消息优先、错误计数器如何隔离故障节点、采样点如何影响误码率，才能在 DroneCAN 与 Cyphal 开发中快速定位底层问题，而不是停留在协议层反复猜测。