第2章：CAN物理层——差分信号与电平定义

大家好，我是你们的实战派导师。今天咱们聊聊CAN总线的物理层。说实话，很多工程师一上来就扎进协议栈里，结果硬件上出了问题，排查半天才发现是物理层没搞对。我当年就吃过这个亏，所以这一章咱们把底子打扎实。

2.1 为什么CAN要用差分信号？

你想想看，汽车里发动机点火、空调压缩机启动，这些大电流设备一工作，整个车内的电磁环境简直是个噩梦。普通的单端信号（比如UART的TX/RX）在这种环境下，分分钟被干扰得面目全非。

CAN总线聪明就聪明在用了差分信号。说白了，就是一对线（CAN_H和CAN_L）同时传输，一个走高，另一个就走低。接收端看的是两根线的电压差，而不是对地的绝对电压。

我在项目里遇到过一件事：有个同事用示波器量CAN_H对地波形，发现毛刺很多，吓得不敢用了。我让他改测CAN_H和CAN_L的差分波形，结果干净得很。这就是差分信号的抗干扰能力——共模噪声会被抵消掉。

2.2 CAN_H与CAN_L的电平定义

咱们以最常用的ISO 11898-2高速CAN标准为例。总线空闲时，CAN_H和CAN_L都维持在2.5V左右，这叫隐性电平。当有节点发送数据时，CAN_H被拉高到3.5V，CAN_L被拉低到1.5V，这叫显性电平。

总线状态	CAN_H电压	CAN_L电压	差分电压	逻辑值
隐性（空闲）	2.5V	2.5V	≈0V	1
显性（发送）	3.5V	1.5V	≈2V	0

这里有个关键点：显性电平会覆盖隐性电平。也就是说，只要有一个节点拉出显性电平，整条总线就是显性的。这就是CAN总线仲裁的基础——谁先发0，谁就赢。

2.3 显性电平与隐性电平的博弈

为什么会设计成显性覆盖隐性？我打个比方：就像一群人开会，谁嗓门大谁先说话。在CAN总线里，逻辑0（显性）就是那个嗓门大的。多个节点同时发送时，谁先发0，谁就抢到总线控制权。

嗯，这里要注意：隐性电平不是0V，而是差分电压接近0V。很多新手以为隐性就是没信号，其实不是。隐性状态下，总线仍然有2.5V的共模电压，只是两根线电压相等而已。

我曾经帮一个客户排查问题，他们发现总线偶尔通信失败。查了半天，原来是CAN收发器的隐性电平漂到了2.7V，导致接收端误判。所以啊，收发器的共模电压稳定性很重要。

2.4 终端电阻：120Ω的奥秘

说到终端电阻，很多人的第一反应就是「CAN总线两端各接一个120Ω电阻」。但你知道为什么是120Ω吗？

这要从传输线理论说起。CAN总线的双绞线特性阻抗大约是120Ω。为了消除信号反射，终端电阻必须匹配这个阻抗。如果不匹配，信号会在总线末端反弹，造成波形畸变。

我见过最典型的错误，就是有人只在总线一端接了120Ω电阻。结果总线长度超过10米后，通信就时好时坏。示波器一看，波形末端有个明显的过冲。加上第二个120Ω电阻后，波形立刻干净了。

2.5 终端电阻的选型实战

选型时，我建议你关注以下几点：

1. 功率：常规120Ω电阻用1/4W就够了。但如果总线有短路风险，建议用1/2W的。
2. 精度：1%精度足够，5%的也能用，但匹配效果差一些。
3. 封装：0805或1206都行，但要注意散热。我习惯用1206，焊接方便，功率余量大。
4. 是否可拆卸：开发阶段建议用可插拔的终端电阻模块，方便调试。

2.6 实际电路中的注意事项

最后，分享几个我在量产项目中踩过的坑：

• 共模扼流圈：在CAN_H和CAN_L上串一个共模扼流圈，能有效抑制共模干扰。我一般选100μH的。
• ESD保护：CAN总线是外露的，必须加TVS管。推荐PESD1CAN或类似型号。
• 分叉线长度：从总线到节点的分支线（stub）越短越好，最好不超过30cm。长了会引起反射。
• 线缆类型：用双绞线，绞距越密越好。我习惯用AWG22或AWG24的屏蔽双绞线。

好了，这一章的内容就到这里。物理层是CAN总线的地基，地基不稳，上层协议再花哨也没用。下一章咱们聊聊CAN的数据链路层，看看报文是怎么在总线上跑的。