2. CAN总线基础
DroneCAN 建立在经典 CAN 2.0B 之上，飞控、电调、GPS、电源模块之间的所有节点状态、参数读写和固件升级，最终都要落到 CAN 总线的电气信号、帧结构和仲裁规则上。理解这一层，才能在设备开发中判断“为什么节点不响应”“为什么总线偶发错误”“为什么高负载下丢帧”。本章从物理层到拓扑逐层拆解 CAN 总线的工作机制。
一、物理层：差分信号与终端电阻
CAN 使用差分双绞线传输，两条信号线分别称为 CAN_H 和 CAN_L。总线呈现两种逻辑状态：显性位（Dominant，逻辑 0）和隐性位（Recessive，逻辑 1）。显性状态下 CAN_H 约 3.5V、CAN_L 约 1.5V，差分电压约 2V；隐性状态下两线均约 2.5V，差分电压接近 0V。差分传输使共模干扰在接收端被抵消，这是 CAN 在无人机强电磁环境中仍能可靠通信的根本原因。
总线两端必须各接一个 120Ω 终端电阻，用于吸收信号反射、维持阻抗匹配。若缺少终端电阻，边沿会出现振铃，采样点误判导致错误帧；若两端都接而中间节点又并接电阻，等效阻抗下降，差分幅值被拉低，同样会引发通信异常。工程上常用万用表在断电状态下测量 CAN_H 与 CAN_L 之间电阻，正常应约为 60Ω（两个 120Ω 并联）。
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）和扩展帧（29 位标识符）。DroneCAN 使用扩展帧，因为其 29 位 ID 中编码了源节点 ID、目标节点 ID、消息类型和优先级等信息。一帧扩展数据帧的主要字段如下：
| 字段 | 长度 | 作用 |
|---|---|---|
| SOF | 1 位 | 帧起始，显性位，用于硬同步 |
| 标识符 | 11+18 位 | 标准/扩展 ID，决定优先级与寻址 |
| RTR | 1 位 | 远程帧标志，数据帧为显性 |
| IDE | 1 位 | 扩展帧标志 |
| DLC | 4 位 | 数据长度，0～8 字节 |
| 数据场 | 0～8 字节 | 实际载荷 |
| CRC | 15 位 | 循环冗余校验 |
| ACK | 2 位 | 接收节点应答槽 |
| EOF | 7 位 | 帧结束，全隐性 |
经典 CAN 单帧最多 8 字节，DroneCAN 通过多帧传输协议（如固件升级、大参数块）把长数据拆分到多个帧中，因此帧格式理解是解析 DroneCAN 报文的前提。
三、仲裁机制：非破坏性逐位仲裁
CAN 采用 CSMA/CR（载波侦听多路访问/冲突解决）机制。多个节点同时发送时，每个节点在发送每一位的同时回读总线电平：若某节点发送隐性位而总线上出现显性位，说明有更高优先级节点在发送，该节点立即退出仲裁转为接收，且不破坏已发送的数据。标识符数值越小，优先级越高，因为显性位（0）在仲裁中“胜出”。
这一机制使 CAN 具备确定性延迟：高优先级报文不会被低优先级报文阻塞，适合飞控中姿态控制、电池状态等实时性要求高的数据。但若低优先级节点长期被压制，会出现“优先级反转”式的饥饿现象，需要在 DroneCAN 消息设计中合理分配 ID。
四、错误处理：五类错误与状态机
CAN 节点内置错误计数器（TEC 发送错误计数、REC 接收错误计数），并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。节点根据计数器进入三种状态：
- 错误主动（Error Active）：TEC 和 REC 均小于 128，可正常发送并发出主动错误帧。
- 错误被动（Error Passive）：任一计数器超过 127，仍可通信，但只能发被动错误帧，不再主动干扰总线。
- 总线关闭（Bus Off）：TEC 超过 255，节点自动脱离总线，停止收发，需软件或硬件复位恢复。
位填充规则要求发送方在连续 5 个相同电平后插入 1 个相反电平，接收方自动去除。若检测到连续 6 个相同电平，则判定为填充错误。这一机制保证接收端能持续从跳变中恢复位同步。
五、位定时与采样点
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）、相位缓冲段 2（Phase_Seg2）。采样点位于 Phase_Seg1 与 Phase_Seg2 之间。常用参数包括：
位时间 = Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2
采样点 = (Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1) / 位时间 × 100%
SJW（同步跳转宽度）决定一次重同步可调整的最大时间量
典型配置（1 Mbps，时钟 36 MHz）：
BRP = 4，Tq = 111 ns
Sync_Seg = 1 Tq
Prop_Seg = 2 Tq
Phase_Seg1 = 4 Tq
Phase_Seg2 = 2 Tq
采样点 ≈ 77.8%采样点通常建议设在 75%～87.5% 之间。采样点过早，信号尚未稳定；过晚，则留给 Phase_Seg2 的余量不足，重同步能力下降。DroneCAN 常用 1 Mbps，节点间必须使用一致的位定时参数，否则即使物理连接正常也无法通信。
六、总线拓扑与工程实践
CAN 是总线型拓扑，所有节点并联在同一对差分线上，不支持星形或环形分支。支线长度应尽量短，1 Mbps 下建议不超过 0.3 米，否则分支反射会恶化信号质量。总线总长度与波特率成反比：1 Mbps 约 40 米，500 kbps 约 100 米，125 kbps 可达 500 米。
一个典型的多旋翼 DroneCAN 总线场景：飞控作为主节点，电调、GPS、电源模块、空速计依次挂接，两端各一个 120Ω 终端电阻。上电后飞控通过动态节点分配协议为各节点分配 ID，随后按消息类型周期性收发。若某节点未出现在总线中，排查顺序应为：供电与共地 → 终端电阻 → 波特率 → 节点 ID 冲突 → 线序接反。