第二章 CAN FD 物理层：差分信号、总线电平、终端电阻
做 CAN 或 CAN FD 的工程师，绕不开物理层。很多人一上来就盯着协议帧、位时间、采样点，结果板子一上电磁钳就出错误帧，查半天发现是终端电阻没焊对，或者共模电平漂了。嗯，物理层看着简单，坑不少。咱们这一章就把差分信号、总线电平、终端电阻这三个基础但关键的东西掰开揉碎说清楚。
2.1 为什么物理层这么重要？
打个比方，CAN FD 协议像一套交通规则，物理层就是路面和轮胎。路面不平、轮胎没气，再好的交规也跑不起来。EMI 干扰下，错误帧大量出现，很多时候根因就在物理层：信号幅值不够、边沿变缓、终端不匹配、共模噪声共模抑制比不足。
我个人习惯是先检查物理层再查协议层。节省时间，也少走弯路。
2.2 差分信号——CAN 的抗干扰底牌
CAN 用的是差分信号传输，两根线：CAN_H 和 CAN_L。发 0（显性）时，CAN_H 高、CAN_L 低；发 1（隐性）时，两根线都拉到 2.5 V 左右。接收端看的是两线电压差 Vdiff = V_CAN_H - V_CAN_L。
- 隐性位（Recessive）：CAN_H = CAN_L ≈ 2.5 V，Vdiff ≈ 0 V
- 显性位（Dominant）：CAN_H ≈ 3.5 V，CAN_L ≈ 1.5 V，Vdiff ≈ 2 V（标准 5 V 供电）
差分信号的好处很明显：共模噪声同时耦合到两根线上，相减后几乎抵消。我曾经在一个变频器项目里，电机启停时 CAN 总线错误帧暴增，最后发现是 CAN_H 和 CAN_L 的 PCB 走线一长一短，共模噪声没有同时到达，变成了差模分量。调整等长走线后问题消失。
2.3 总线电平——别只看电压
很多初学者以为 CAN FD 只认 0 和 1，其实收发器内部有比较器，判定阈值是滞回区间。不同收发器、不同供电电压下，显性/隐性电平会有一点差别。下面是一个典型 5 V 供电下的电平表格：
| 状态 | CAN_H (V) | CAN_L (V) | 差分电压 (V) |
|---|---|---|---|
| 隐性 | 2.5 | 2.5 | 0.0 |
| 显性 | 3.5 | 1.5 | 2.0 |
但要注意，如果总线供电 3.3 V（一些低功耗设计），显性差分会降到 1.5 V 左右，噪声容限也变小。我在一个车载项目里遇到过 3.3 V 收发器与 5 V 收发器混用的场景，显性电平差异导致接收端采样出错，错误帧频发。所以设计前一定要看收发器数据手册中的共模范围和差分阈值。
2.4 终端电阻——总线的“消音器”
终端电阻的作用是吸收信号反射。CAN 总线要求在物理两端各放一个 120 Ω 电阻，并联后等效 60 Ω。为什么是 120 Ω？因为双绞线特征阻抗大约 120 Ω，匹配才能无反射。
- 标准接法：两个 120 Ω 电阻分别挂在总线两端，中间节点不挂终端电阻。
- 如果只挂一个 120 Ω：未接端的一端会严重反射，显性转隐性时信号振荡，导致位错误或 CRC 错误。
- 如果挂太多阻值：总负载拉低差分幅值，影响接收灵敏度。
我测试过一个现场，客户说总线长度只有 5 米，但错误率很高。检查发现他们三个节点各焊了一个 120 Ω，并联等效 40 Ω，显性差分电压只剩 1.0 V，收发器内部比较器时而判对时而判错。拔掉两个电阻后恢复正常。
2.5 物理层结构总览
下面的 SVG 图把 CAN FD 物理要素串起来，方便你脑子里装一个整体视图。
2.6 设计要点的快捷清单
- 终端电阻位置：必须在总线物理两端，不在中间节点。短总线（<2 m）可以尝试用 60 Ω 单电阻但风险高，不推荐批量产品这么干。
- 共模扼流圈：一些收发器内置，外置时选对共模电感值（常见 100 μH ~ 1 mH），否则会滤掉 FD 高速边沿。
- 总线拓扑：尽量是直线型（干线 + 短分支）。分支长度控制在 30 cm 以内，分支越长反射越严重。
- PCB 布局：收发器距离连接器越近越好，差分对无过孔，周围敷接地铜。