2. 物理层基础：差分信号原理、共模电压与差模电压、CAN总线电平逻辑（显性/隐性）

好，我们进入物理层基础。这部分内容，说白了就是CAN FD能跑起来的物理根基。很多刚接触CAN FD的工程师，往往只关注协议层，觉得物理层无非就是两根线。嗯，我当年也这么想过，直到在一次EMC测试中吃了大亏……从那以后，我再也不敢轻视物理层了。

2.1 差分信号原理：为什么CAN要用两根线？

先问一个问题：为什么CAN总线不采用单端信号，比如像UART那样一根TX一根RX对地传输？

答案很简单——抗干扰。单端信号依赖地平面作为参考，一旦地平面有噪声，信号就跟着抖。我曾在某款车载控制器上遇到过，地弹噪声直接把CAN收发器干趴了，总线一直报错。后来换成差分走线，问题迎刃而解。

差分信号的核心思想是：用两根线上的电压差来表示逻辑状态。这两根线，就是CAN_H和CAN_L。

• 差分电压 V_diff = V(CAN_H) - V(CAN_L)
• 外部干扰（共模噪声）同时叠加在两根线上，相减后抵消
• 不需要依赖地作为参考，抗共模干扰能力极强

我个人习惯在PCB布局时，把CAN_H和CAN_L的走线间距控制在2倍线宽以内，并且避免跨分割。你想想看，如果差分对跨过了不同的参考平面，那共模噪声还能抵消吗？显然不能。

2.2 共模电压与差模电压：两个容易混淆的概念

很多新手分不清共模和差模。我换个说法：

• 差模电压——两根线之间的差值，这是有用的信号
• 共模电压——两根线相对于地的平均值，这是偏置或噪声

公式很简单：

V_diff = V(CAN_H) - V(CAN_L)
V_common = (V(CAN_H) + V(CAN_L)) / 2

在CAN FD中，收发器内部会处理共模电压。但作为硬件工程师，你必须关注共模电压的范围。为什么？

我曾经遇到一个案例：某款车用CAN收发器，在长距离通信时偶尔丢帧。排查了整整两天，最后发现是共模电压超出了收发器的输入范围（-2V到+7V）。原因是总线上的地电位偏移，导致共模电压漂到了8V以上。收发器内部的比较器饱和了，自然无法正确识别差分信号。

这里我列一个典型CAN FD收发器的共模/差模参数，供你参考：

参数	最小值	典型值	最大值	单位
差模输入范围	-12	—	+12	V
共模输入范围	-2	—	+7	V
共模抑制比（CMRR）	—	60	—	dB

嗯，这里要注意：CMRR越高，说明收发器抑制共模干扰的能力越强。如果你的应用环境电磁干扰严重，建议选CMRR在70dB以上的器件。

2.3 CAN总线电平逻辑：显性与隐性

CAN总线的逻辑状态只有两种：显性（Dominant）和隐性（Recessive）。这和普通的数字逻辑（0和1）不太一样。

• 隐性状态：CAN_H和CAN_L电压相等（约2.5V），差分电压接近0V。此时总线呈现高阻抗，相当于逻辑“1”。
• 显性状态：CAN_H被拉高（约3.5V），CAN_L被拉低（约1.5V），差分电压约2V。此时总线呈现低阻抗，相当于逻辑“0”。

为什么叫“显性”和“隐性”？因为总线采用线与（Wired-AND）机制：

• 多个节点同时发送时，只要有一个节点输出显性，总线就是显性
• 隐性状态只有在所有节点都输出隐性时才成立

说白了，显性状态“覆盖”隐性状态。这就是CAN总线仲裁的基础——谁先发显性位，谁就赢得总线控制权。

这里我画一个简化的电平关系图（用文字描述）：

隐性状态（Recessive）：
  CAN_H = 2.5V
  CAN_L = 2.5V
  V_diff = 0V  → 逻辑“1”

显性状态（Dominant）：
  CAN_H = 3.5V
  CAN_L = 1.5V
  V_diff = 2.0V  → 逻辑“0”

你想想看，如果总线上的终端电阻不匹配，或者共模电压偏移，显性状态的差分电压可能达不到2V。我曾经遇到过一批劣质收发器，显性差分电压只有1.2V，结果在高温下通信误码率飙升。嗯，从那以后我选型时必看收发器的输出差分电压指标，低于1.5V的一律不用。

2.4 小结与避坑清单

这一节的内容，我总结几个必须记住的点：

1. 差分信号靠的是“差”，不是“地”——走线要等长、靠近，避免跨分割
2. 共模电压是隐形杀手——超出收发器范围，直接导致通信失败
3. 显性/隐性不是简单的0和1——线与机制决定了仲裁逻辑
4. 终端电阻影响电平质量——120Ω是标准值，但要根据总线长度和节点数微调