第2章 CAN FD物理层：从电平到信号的硬核基础

物理层，说白了就是信号在线上怎么跑的问题。很多工程师一上来就扎进协议栈，结果板子调不通，拿示波器一看，波形惨不忍睹。嗯，我当年也干过这种事。

CAN FD的物理层，其实和经典CAN基本一致，只是速率更高了，要求也更苛刻了。咱们一个一个说。

2.1 差分信号与总线电平

CAN总线用两根线：CAN_H和CAN_L。它不靠对地电压传数据，而是靠两根线的电压差。这就是差分信号。

为什么用差分？抗共模干扰。你想想看，如果两根线同时被外界噪声抬高了1V，差值不变，信号就不受影响。这在工业现场、汽车引擎舱里特别重要。

总线电平分两种状态：

• 显性（Dominant）：CAN_H ≈ 3.5V，CAN_L ≈ 1.5V，差分电压约2V。逻辑上代表“0”。
• 隐性（Recessive）：CAN_H ≈ 2.5V，CAN_L ≈ 2.5V，差分电压约0V。逻辑上代表“1”。

我在项目中遇到过一个问题：某次调试，总线一直处于隐性状态，怎么都拉不低。查了半天，发现是CAN收发器的VCC供电虚焊了。收发器没电，自然拉不出显性电平。这种坑，你排查的时候要留意。

2.2 CAN FD的位时序与采样点

位时序，就是每个bit在时间轴上的划分。CAN FD把1个bit分成4段：

段名称	作用	说明
同步段（SS）	同步所有节点	固定为1个Tq（时间量子）
传播段（PTS）	补偿物理延迟	线缆、收发器延迟都算在这里
相位缓冲段1（PS1）	采样点前调整	可编程，用于重同步
相位缓冲段2（PS2）	采样点后调整	可编程，用于重同步

采样点，就是接收器读取总线电平的那个时刻。它位于PS1和PS2之间。我个人习惯把采样点设在75%~85%的位置。为什么？因为越靠近bit末尾，信号越稳定，抖动越小。

CAN FD在数据段可以切换到更快的位时序。仲裁段用1Mbps，数据段切到4Mbps甚至8Mbps。这时候采样点要重新算，不能偷懒用同一套参数。

2.3 CAN FD的传输速率

经典CAN最高1Mbps，CAN FD把数据段推到了最高8Mbps。但注意，这是理论值。

实际能跑多快，取决于：

• 总线长度：速率越高，允许的总线越短。8Mbps下，总线长度一般不超过10米。
• 节点数量：节点越多，寄生电容越大，信号边沿变缓。
• 收发器性能：不是所有收发器都支持8Mbps。选型时要看datasheet里的“Data Rate”参数。

我曾经在一个项目里，为了省成本用了便宜的收发器，结果数据段切到5Mbps就丢包。换了个支持CAN FD的收发器，问题立刻解决。嗯，有些钱不能省。

仲裁段速率通常固定，比如500kbps或1Mbps。数据段速率可以动态切换。切换点就在BRS（Bit Rate Switch）位。这个位为隐性时，用仲裁段速率；为显性时，切换到数据段速率。

2.4 终端电阻与总线拓扑

终端电阻，说白了就是防止信号反射的。CAN总线要求在两端各接一个120Ω电阻。为什么是120Ω？因为双绞线的特性阻抗大约是120Ω，匹配了反射就最小。

拓扑结构：CAN总线必须是直线型，不能有星型或环型。分支（stub）越短越好，最好不超过30cm。

我遇到过最离谱的一次：客户把CAN总线接成了星型，每个分支还接了2米长。结果信号反射得一塌糊涂，波特率降到100k才能勉强通信。后来改成直线型，1Mbps稳如老狗。

2.5 物理层故障排查

物理层出问题，表现千奇百怪。但归根结底，就三类：短路、断路、共模干扰。

短路

• CAN_H对地短路：总线一直显性，所有节点发不出隐性位。
• CAN_L对电源短路：总线电平异常，收发器可能烧毁。
• CAN_H和CAN_L短路：差分电压始终为0，总线一直隐性。

排查方法：断电测电阻，或者上电测电压。正常时CAN_H对地约2.5V，CAN_L对地约2.5V。如果偏差超过0.5V，就要怀疑了。

断路

• 一根线断了：信号还能通，但共模抑制能力下降，容易受干扰。
• 两根线都断了：通信完全中断。

排查方法：用示波器看波形。断线时波形会变得很奇怪，比如幅值变小、边沿变缓。

共模干扰

这是最隐蔽的故障。表现为：偶尔丢帧、错误帧增多、通信不稳定。原因通常是接地不良或外部强电磁场。

我曾经在一个电机驱动项目里，CAN总线老是丢帧。查了三天，发现是电机的地线和CAN的地线没分开，大电流回流把共模电压抬高了。后来把地线分开走，问题消失。

好了，物理层就聊这么多。下一章咱们进数据链路层，看看CAN FD的帧结构到底长什么样。