4. CAN基础

CAN（Controller Area Network）是现场总线中应用最广的串行通信协议之一，最初由 Bosch 为汽车电子设计，如今已扩展到工业控制、电力监控、电梯、医疗设备等领域。理解 CAN 的关键，不是记住“它很快”，而是理解它如何用差分信号、非破坏性仲裁、位定时同步和多重错误检测在强干扰环境中实现可靠通信。本节围绕帧格式、仲裁、位定时、错误界定和 CAN FD 五个核心点展开。

一、CAN 2.0A/B 帧格式：显性位与隐性位构成的消息结构

CAN 总线采用差分信号传输，逻辑上分为显性位（Dominant，逻辑0）和隐性位（Recessive，逻辑1）。当多个节点同时发送时，显性位会覆盖隐性位，这一“线与”特性是仲裁和错误检测的基础。CAN 2.0A 使用 11 位标识符的标准帧，CAN 2.0B 同时支持 11 位标准帧和 29 位扩展帧。

一帧标准数据帧由以下字段组成：

• SOF（帧起始）：1 位显性位，用于硬同步。
• 仲裁场：11 位标识符 + RTR 位，决定优先级和帧类型。
• 控制场：IDE、r0 和 4 位 DLC，DLC 表示数据长度（0～8 字节）。
• 数据场：0～8 字节有效数据。
• CRC 场：15 位 CRC 序列 + 1 位 CRC 界定符，用于校验。
• ACK 场：ACK 槽 + ACK 界定符，接收节点正确接收后拉低 ACK 槽。
• EOF（帧结束）：7 位隐性位。

扩展帧在仲裁场中增加 SRR、IDE 和 18 位扩展标识符，使标识符达到 29 位。标准帧与扩展帧可在同一总线上共存，但标识符位数不同，仲裁时需注意优先级设计。

二、仲裁机制：非破坏性逐位仲裁

CAN 最精妙的设计是非破坏性逐位仲裁。当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是显性位，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，且不会破坏已获胜节点的报文。

仲裁从 SOF 后的标识符第一位开始，逐位比较。标识符数值越小，显性位越多，优先级越高。例如标识符 0x100 比 0x200 优先级高。RTR 位也参与仲裁：数据帧的 RTR 为显性，远程帧为隐性，因此同标识符下数据帧优先于远程帧。

三、位定时与同步：保证采样点一致

CAN 是异步串行通信，没有独立时钟线，因此每个节点必须通过位定时和同步机制，在正确的位置采样总线电平。一个位时间被划分为四个段：

• 同步段（Sync_Seg）：固定 1 个时间份额，用于同步总线跳变沿。
• 传播段（Prop_Seg）：补偿总线传播延迟和收发器延迟。
• 相位缓冲段 1（Phase_Seg1）：可被延长，用于重同步。
• 相位缓冲段 2（Phase_Seg2）：可被缩短，用于重同步。

采样点位于 Phase_Seg1 与 Phase_Seg2 之间。同步分为硬同步和重同步：硬同步发生在帧起始的隐性到显性跳变，强制将位时间对齐到 Sync_Seg；重同步发生在帧内跳变沿，根据相位误差调整 Phase_Seg1 或 Phase_Seg2，调整量受 SJW（同步跳转宽度）限制。

位时间 = Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2
采样点 = Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1
SJW ≤ min(Phase_Seg1, Phase_Seg2)
典型采样点位置：75% ~ 87.5%（视波特率和总线长度而定）

位定时参数必须与波特率匹配。例如 500 kbps 时，位时间为 2 μs，若时钟为 16 MHz，则一个时间份额为 125 ns，位时间可配置为 16 个时间份额。采样点设置不当会导致高波特率下误码率上升。

四、错误检测与故障界定：五类错误与三种状态

CAN 提供五种错误检测机制：

1. 位错误：发送节点回读电平与发送电平不一致（仲裁场和 ACK 槽除外）。
2. 填充错误：在需要位填充的字段中，连续 6 个相同电平未插入相反位。
3. CRC 错误：接收节点计算的 CRC 与帧中 CRC 不一致。
4. 格式错误：固定格式字段出现非法电平。
5. ACK 错误：发送节点在 ACK 槽未检测到显性位。

节点内部维护两个计数器：TEC（发送错误计数器）和REC（接收错误计数器）。根据计数值，节点处于三种故障状态：

状态	进入条件	行为
错误主动（Error Active）	TEC 和 REC 均 ≤ 127	正常通信，检测到错误时发送主动错误帧
错误被动（Error Passive）	TEC 或 REC > 127	仍可通信，但发送被动错误帧，不主动干扰总线
总线关闭（Bus Off）	TEC > 255	节点脱离总线，停止发送和接收，需恢复或复位

五、CAN FD 简介：更高数据段速率与更长数据场

CAN FD（Flexible Data-rate）在兼容 CAN 2.0 仲裁机制的基础上，引入两项关键改进：可变数据速率和更长数据场。仲裁段仍使用标准波特率，保证与经典 CAN 兼容；数据段切换到更高波特率，最高可达 5 Mbps 甚至更高。数据场从 8 字节扩展到 64 字节，减少协议开销，提高有效吞吐率。

CAN FD 帧中新增 FDF、BRS、ESI 等控制位：FDF 区分经典帧与 FD 帧，BRS 切换数据段速率，ESI 指示发送节点错误状态。CRC 长度也根据数据长度扩展，增强长帧校验能力。需要注意的是，CAN FD 节点与经典 CAN 节点不能直接混跑同一总线，除非使用兼容控制器或网关进行转换。

六、工程案例与复盘

某工业现场使用 CAN 总线连接 12 个节点，波特率 500 kbps，线缆约 80 米。调试时发现偶发通信中断，节点频繁进入错误被动状态。排查后发现：终端电阻仅在一端安装，另一端缺失，导致信号反射严重；同时采样点设置为 62.5%，低于推荐值。整改措施是两端各加 120 Ω 终端电阻，并将采样点调整到 80%，同时检查屏蔽层单点接地。整改后 TEC/REC 稳定在低位，通信恢复正常。

这个案例说明：CAN 的可靠性建立在物理层、位定时和错误管理三者协同之上。只关注协议帧格式而忽略终端匹配和采样点，往往会在现场付出代价。对于 CAN FD 升级，还需评估收发器、控制器和线缆是否支持更高数据段速率，避免“协议支持但物理层跟不上”的尴尬。