CAN协议核心原理：从物理层到数据链路层
二、CAN协议核心原理：从物理层到数据链路层
2.1 物理层：信号的传输与电气特性
物理层是CAN协议的“物理基础”，定义了信号如何在总线上传输、电气参数如何设计，以及节点如何连接到总线。它直接决定了通信的可靠性、抗干扰能力和传输距离。
2.1.1 拓扑结构与线缆
CAN采用总线型拓扑（Bus Topology），所有节点通过一条共享的总线（双绞线或同轴电缆）连接，无主从之分。这种设计的优势在于：
- 简化布线：所有节点只需连接到总线的两个端点，无需复杂的分支或星型连接；
- 可靠性高：单点故障（如某段线缆损坏）不会导致整个网络瘫痪（除非断开总线两端）；
- 电气匹配简单：总线型拓扑便于实现终端阻抗匹配（见下文）。
典型线缆选择：
- 双绞线：最常用（如屏蔽双绞线STP），通过两根导线绞合降低电磁干扰（EMI），适用于大多数工业和汽车场景（传输速率≤1Mbps时，最大距离40米；速率≤500kbps时，最大距离1公里）；
- 同轴电缆：用于高速场景（如CAN FD或实验室测试），抗干扰能力更强，但成本较高；
- 单线传输：仅在短距离、低速场景中使用（如部分低成本传感器），需额外保护电路。
终端电阻的必要性：
总线型拓扑需在总线的两个端点各接一个120Ω终端电阻（与双绞线特性阻抗匹配）。若缺少终端电阻，信号会在总线末端发生反射（类似声波在山谷的回声），导致信号畸变、误码率升高。例如，汽车CAN网络的总线两端（如发动机舱和驾驶舱）必须各接一个120Ω电阻，否则高速通信（如500kbps以上）会出现频繁错误。
终端电阻的数值与双绞线的间距、内径、电磁常数有关，可以根据数学公式推到而出；
同时，终端电阻仅要求在高速can中使用，低速can并无强制规定；
终端电阻的连接图如下：
参考原文：https://blog.youkuaiyun.com/tjcwt2011/article/details/140932387
2.1.2 电气信号与编码
CAN的电气信号采用差分传输（Differential Signaling），即通过两根导线（CAN_H和CAN_L）传输互补的电压信号。这一设计与传统单端信号（如RS-485）有本质区别。
差分信号的优势：
- 抗共模噪声：外界干扰（如电机电火花、点火系统的电磁脉冲）会同时叠加到CAN_H和CAN_L上，形成“共模噪声”。由于接收端检测的是两者的差值（CAN_H - CAN_L），共模噪声会被抵消，有效提升抗干扰能力（汽车环境中可抵抗±30V瞬态干扰）；
- 逻辑电平清晰：
- 显性位（Dominant，逻辑0）：CAN_H电压比CAN_L高≥0.9V（典型值为CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V）；
- 隐性位（Recessive，逻辑1）：CAN_H与CAN_L电压相等（典型值为2.5V，差值≤0.5V）。
显性位具有“优先性”——若总线上同时出现显性位和隐性位，最终表现为显性位（类似“线与”逻辑）。
2.1.3位时序与同步：时间划分与示意图
位速率与波特率
- 位速率（也叫做比特率）： 表示的是单位时间内，总线上传输的信息量，即每秒能够传输的二进制位的数量，R=1/T ，单位是bit per second,bps。比如，比特率为8bit/s，意思为一秒传输了8bit，包含了8个二进制事件的信息量。
- 波特率(码元传输速率)：表示单位时间(1s)内传输的码元个数(脉冲个数或者信息变化次数)，码元可以是多进制的；kBaud(1baud=1bit/second, 1KBaud=1KB=1000bits/second)（码元：就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带1bit数据，也有可能携带2、4bit）
CAN的位时序通过将每个位周期（Bit Time）划分为多个时间片段，确保节点间时钟同步并补偿物理延迟与时钟偏差。以下是详细的时间划分与同步机制：
位时间划分（以25 TQ为例）
每个位周期由 4个核心段 组成，总时间单位为 时间份额（Time Quantum, TQ），具体划分如下（参考ISO 11898标准）：
| 段名称 | 时间份额（TQ） | 作用 | 可调范围 |
|---|---|---|---|
| 同步段（Sync_Seg） | 1 TQ | 用于同步节点间时钟，检测总线起始位（SOF）的下降沿。 | 固定为1 TQ |
| 传播段（Prop_Seg） | 1~8 TQ | 补偿信号在总线上的物理传输延迟（如导线长度、节点距离）。 | ≥2倍总线传输延迟 |
| 相位缓冲段1（PBS1） | 1~8 TQ | 允许接收端调整采样点位置，补偿时钟偏差（如延长或缩短以对齐边沿）。 | 可配置为1~8 TQ |
| 相位缓冲段2（PBS2） | 2~8 TQ | 与PBS1配合补偿时钟偏差（如缩短PBS2以抵消PBS1的延长）。 | ≥PBS1或数据处理时间 |
示例配置（总位时间=25 TQ）：
- Sync_Seg=1 TQ
- Prop_Seg=2 TQ
- PBS1=8 TQ
- PBS2=14 TQ
- 采样点位置：位于PBS1结束处（即第1+2+8=11 TQ处）
同步机制详解
1. 硬同步（Hard Synchronization）
- 触发条件：总线空闲时检测到起始位（SOF）的下降沿（CAN_L从高→低）。
- 操作：强制将本地时钟的同步段（Sync_Seg）对齐到SOF下降沿，重置位时序计数器。
- 目的：确保所有节点在帧起始时同步，避免因时钟偏差导致后续位采样错误。
2. 重新同步（Resynchronization）
- 触发条件：在数据帧或远程帧传输过程中，检测到总线边沿（上升沿/下降沿）与本地时钟预期的边沿不匹配。
- 操作：
- 相位超前（接收端时钟滞后）：延长PBS1段，使采样点后移以对齐总线边沿。
- 相位滞后（接收端时钟超前）：缩短PBS2段，使采样点前移以对齐总线边沿。
- 限制：单次同步调整幅度不超过 同步跳转宽度（SJW, Synchronization Jump Width）（通常≤4 TQ）。
同步机制示意图（文本描述）
位周期划分（总位时间=25 TQ）：
|<---Sync_Seg=1 TQ--->|<--Prop_Seg=2 TQ-->|<--PBS1=8 TQ-->|<--PBS2=14 TQ-->|
↑ ↑ ↑ ↑
| | | |
0 TQ 3 TQ 11 TQ 25 TQ
关键点说明：
- 采样点：位于PBS1结束处（11 TQ），是接收端读取总线电平的位置。
- 同步跳转：若总线边沿偏离采样点，通过调整PBS1/PBS2使下一位的采样点回归理想位置。
- 误差补偿：
- 边沿滞后（接收端时钟快）：缩短PBS2（如原PBS2=14→12），补偿+2 TQ。
- 边沿超前（接收端时钟慢）：延长PBS1（如原PBS1=8→10），补偿+2 TQ。
同步示例（时钟偏差补偿）
假设发送端与接收端时钟偏差为 +1 TQ（接收端时钟快）：
- 检测到边沿滞后：接收端发现总线下降沿比预期晚1 TQ。
- 调整PBS1：在下一位时序中，将PBS1延长1 TQ（如原PBS1=8→9）。
- 补偿效果：采样点后移1 TQ，与总线边沿对齐。
限制：若偏差超过SJW（如SJW=2），则无法完全补偿，需通过调整预分频系数（Prescaler）优化位时间配置。
同步机制的意义
- 抗时钟偏差：通过动态调整PBS1/PBS2，容忍±1 TQ至±4 TQ的时钟误差（取决于SJW）。
- 抗物理延迟：传播段（Prop_Seg）补偿信号在总线上的传输延迟（如长距离通信）。
- 稳定性保障：避免因时钟不同步导致的数据错误，确保CAN总线的高可靠性。
通过合理配置位时间参数（Sync_Seg、Prop_Seg、PBS1、PBS2）和同步策略，CAN协议在分布式系统中实现了高效、可靠的通信。
例如，发送端和接收端的晶振频率存在微小差异（如±1%），经过多个位周期后，两者的位时序会逐渐失步。重新同步机制通过插入或删除“补偿间隔”（Bit Stuffing，见下文），强制对齐位时序，确保通信正确。
2.2 数据链路层：通信的“规则引擎”
数据链路层是CAN协议的“大脑”，负责管理节点间的通信规则、冲突解决、错误检测和数据传输。它定义了帧结构（如何封装数据）、仲裁机制（多主竞争的解决）、错误处理（如何检测和恢复错误）等核心功能。
2.2.1 帧结构：数据的“包装盒”
CAN协议定义了5种帧类型（Frame Types），但最常用的是数据帧（Data Frame，携带有效数据）和远程帧（Remote Frame，请求数据），错误帧（Error Frame）和过载帧（Overload Frame）用于异常处理。以下是各类帧的格式与作用：
（1）数据帧（Data Frame）：通信的核心
数据帧的结构分为7个场（Field），从左到右依次为：仲裁场→控制场→数据场→CRC场→ACK场→结束场。
| 场名称 | 长度（位） | 功能描述 |
|---|---|---|
| 仲裁场 | 11/29 | 包含11位标准ID或29位扩展ID（ID+IDE位+SRR位），用于标识数据优先级和来源。 |
| 控制场 | 6 | 前2位为保留位（RB0/RB1），后4位为数据长度码（DLC，0~8字节）。 |
| 数据场 | 0~64 | 实际传输的数据（标准CAN为0~8字节，CAN FD支持0~64字节）。 |
| CRC场 | 15 | 循环冗余校验码，用于检测数据传输中的位错误（基于多项式x¹⁵+x¹⁴+…+1）。 |
| ACK场 | 2 | 发送方插入的2位（第1位为ACK槽，第2位为ACK界定符）。接收方若正确接收数据，会在ACK槽发送显性位（0）。 |
| 结束场 | 7 | 7位连续隐性位（1），标志数据帧结束。 |
示例：一个标准CAN数据帧（ID=0x123，DLC=4，数据=0xAA,0xBB,0xCC,0xDD）的仲裁场为0b0000000100100011（11位ID），控制场为0b00000100（DLC=4），数据场为0xAABBCCDD，CRC场为根据这些数据计算出的15位校验码。
（2）远程帧（Remote Frame）：请求数据的“信号弹”
远程帧用于节点向其他节点请求发送特定ID的数据。它的结构与数据帧类似，但无数据场，且RTR位（远程发送请求位）为隐性（1）（数据帧的RTR位为显性0）。
例如，节点A需要获取节点B的温度数据（ID=0x456），会发送一个远程帧：仲裁场为0x456，RTR位=1，DLC=2（表示希望接收2字节数据）。节点B收到后会发送一个数据帧（ID=0x456，数据场为温度值）。
（3）错误帧（Error Frame）：通信的“急救信号”
当节点检测到总线上的错误（如位错误、CRC错误），会立即发送错误帧，强制所有节点停止当前通信并重新同步。错误帧由两部分组成：
- 错误标志（Error Flag）：6位连续显性位（0），覆盖总线上的所有其他信号；
- 错误界定符（Error Delimiter）：8位隐性位（1），用于分隔错误标志和后续通信。
错误帧的触发条件将在2.2.3节详细说明。
（4）过载帧（Overload Frame）：流量控制的“缓冲垫”
过载帧用于通知总线上的其他节点：“我暂时无法接收更多数据，请稍后再发”。它的结构与错误帧类似（6位显性位+8位隐性位），但仅在节点接收缓冲区已满时发送（例如，节点正在处理大量数据，无法及时解析新报文）。
2.2.2 仲裁机制：多主竞争的“公平法则”
CAN是多主通信协议，任何节点均可主动发送数据。当多个节点同时发送数据时，总线会通过仲裁机制决定哪个节点获得发送权。仲裁的核心是“ID优先级”和“显性位覆盖隐性位”的电气特性。
（1）仲裁原理：线与逻辑的胜负判定
所有发送节点的信号在总线上以“线与”（Logical AND）方式叠加：若某一位有至少一个节点发送显性位（0），总线最终表现为显性位（0）；只有所有节点都发送隐性位（1），总线才表现为隐性位（1）。
仲裁过程逐位比较（从仲裁场最高位开始，到最低位结束）：
- 若某一位中，节点A发送显性位（0），节点B发送隐性位（1），则节点A获胜（总线为0），节点B退出竞争；
- 若所有已参与仲裁的节点在该位都发送显性位（0），则继续比较下一位；
- 直到某一位只有一个节点发送显性位，该节点获得总线控制权，继续发送剩余位；若所有位都相同（所有节点发送相同的ID），则发送节点正常完成数据帧。
（2）ID优先级：数值越小，优先级越高
CAN的ID（11位或29位）直接决定优先级：ID值越小，优先级越高。例如，ID=0x001的节点优先级高于ID=0x002的节点。
- 标准帧（11位ID）：ID范围0~0x7FF（2047个唯一ID）；
- 扩展帧（29位ID）：ID范围0~0x1FFFFFFF（约2亿个唯一ID），通过IDE位（标识符扩展位）区分标准帧（IDE=0）和扩展帧（IDE=1）。
（3）仲裁的实际影响
- 高优先级ID的设计：关键任务（如刹车信号）应分配低ID（如0x001），确保其报文优先发送，避免被低优先级数据（如车窗控制，ID=0x7FF）延迟；
- 仲裁的透明性：节点无需主动参与仲裁（仅需按位发送数据），仲裁过程由总线电气特性自动完成，对应用层完全透明。
2.2.3 错误检测与恢复：通信的“免疫系统”
CAN协议内置了完善的错误检测机制，确保通信的可靠性。它定义了5种错误类型，并通过错误计数器（TEC发送错误计数器、REC接收错误计数器）和错误状态（错误主动、错误被动、总线关闭）实现自动恢复。
（1）错误类型与检测
| 错误类型 | 触发条件 | 检测机制 |
|---|---|---|
| 位错误 | 发送节点检测到总线电平与自己发送的电平不一致（如发送显性位，但总线为隐性）。 | 发送节点在发送每一位时，实时比较总线电平与本地输出电平。 |
| 填充错误 | 数据场中出现连续6个相同位（违反位填充规则）。 | CAN协议规定：连续5个相同位后必须插入1个相反位（位填充）。若违反此规则，接收节点判定为填充错误。 |
| CRC错误 | 接收节点计算的CRC校验码与发送节点提供的CRC码不一致。 | 发送节点在数据场后附加15位CRC码（基于数据场计算）；接收节点重新计算并比对。 |
| 格式错误 | 固定格式的场（如CRC界定符、ACK界定符、结束场）出现非法位（如结束场出现显性位）。 | 这些场的格式是固定的（如CRC界定符必须是8位隐性位），违反即触发格式错误。 |
| 确认错误 | 发送节点未在ACK槽（ACK场第1位）检测到显性位（0）。 | 接收节点若正确接收数据，会在ACK槽发送显性位；发送节点未收到则判定为确认错误。 |
（2）错误计数器与状态转换
每个节点维护两个计数器：
- TEC（Transmit Error Counter，发送错误计数器）：记录发送错误的次数（每次位错误、填充错误、CRC错误、确认错误均会增加TEC）；
- REC（Receive Error Counter，接收错误计数器）：记录接收错误的次数（仅接收错误会增加REC）。
错误状态机的工作规则：
- 错误主动（Error Active）：TEC < 128且REC < 128。节点可正常发送数据，若检测到错误，发送错误帧；
- 错误被动（Error Passive）：TEC ≥ 128或REC ≥ 128。节点发送数据时需插入8个隐性位（“延迟传输”），避免干扰总线；
- 总线关闭（Bus Off）：TEC > 255。节点完全退出总线通信，需通过软件复位或硬件重启恢复。
示例：节点A发送数据帧时，因总线干扰导致某一位发送显性位但总线为隐性（位错误），TEC加8（初始值为0，变为8）。若后续再次发生填充错误（TEC加8，变为16），节点仍处于错误主动状态。若TEC持续增加至128，节点进入错误被动状态，发送数据时会插入延迟位；若TEC超过255，节点被关闭，需人工干预重启。
小结：物理层通过差分信号、终端电阻和位时序确保信号可靠传输；数据链路层通过仲裁机制解决多主竞争，通过错误检测与恢复保障通信质量。两者共同构建了CAN“高可靠、强实时”的核心特性。
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