在学习笔记篇---CAN通信（一）的时候，主要讲了什么是CAN，以及CAN总线的硬件连接和帧格式规范，本篇主要讲CAN总线的位同步、仲裁和错误处理机制。

一、位同步：解决 “时钟不同步” 的通信关键

1. 为什么需要位同步？

CAN 总线有个特点：没有专门的时钟线。总线上的所有设备（比如单片机、传感器），全靠 “约定好的波特率” 来判断 “一个数据位该传多久”。

发送方：按照约定波特率，每隔固定时间发一个数据位（比如约定波特率 200kbps，就每隔 5μs 发一位）；

接收方：同样按这个波特率，每隔固定时间 “采样” 一次总线电平，读取数据位。

理想情况下，接收方的采样时间会刚好落在数据位的 “正中间”—— 这时候读出来的数据最准确。但实际场景中，两个问题会导致 “不同步”：

接收方一开始的采样点就没对准数据位中心；

设备之间的时钟总会有微小误差（比如甲设备时钟快一点，乙设备慢一点），误差越积越多，采样点会慢慢偏离数据位中心。

一旦采样点偏离，接收方就可能把 “0” 读成 “1”，或把 “1” 读成 “0”—— 这时候，位同步机制就登场了，它的核心作用就是：实时校准接收方的采样时间，让采样点始终对准数据位中心，保证数据传输准确。

2. 位时序：把 “一个数据位” 拆成 “可调整的小片段”

为了灵活校准采样点，CAN 总线把 “一个数据位的总时长” 拆成了 4 个连续的小片段，每个片段由若干个 “最小时间单位（Tq）” 组成（Tq 是 Time Quantum 的缩写，相当于 CAN 总线的 “时间最小刻度”，由芯片内部时钟分频得到，比如 0.5μs/Tq）。

这 4 个片段各司其职，分工明确：

简单说：一个数据位的总时长 = SS + PTS + PBS1 + PBS2，所有片段的 Tq 加起来，就是这个数据位的 “总时间刻度”。

3. 硬同步：帧开头的 “统一看齐”

硬同步是 “一次性对齐”—— 只在每帧数据的开头生效，目的是让所有设备的时钟 “从零开始同步”。

具体过程：

总线上某一个设备（发送方）率先发起通信，发送 “帧起始位（SOF）”——SOF 是一个从 “高电平” 变 “低电平” 的下降沿，相当于喊了一声 “大家注意，要开始传数据了！”；

总线上其他所有设备（接收方）一检测到这个 SOF 下降沿，就会立刻把自己的 “位时序计时器” 归零，重新从 “同步段（SS）” 开始计时；

这样一来，所有接收方的时钟就和发送方的时钟 “对齐了起点”—— 如果设备之间没有时钟误差，后续每个数据位的采样点都会刚好落在中心。

关键点：硬同步只有 “SOF 下降沿” 这一次机会，后续再遇到跳变沿，就用不上硬同步了。

4. 再同步：过程中的 “动态校准”

就算硬同步对齐了起点，设备时钟的微小误差还是会慢慢积累（比如发送方时钟快，接收方时钟慢），导致后续数据位的跳变沿 “跑出同步段（SS）”，采样点开始偏离中心。这时候，再同步机制就会进行 “动态微调”。

具体过程：

接收方会监测每个数据位的跳变沿（SOF 之后的所有跳变沿都算）；

一旦发现跳变沿不在 SS 段，就根据 “再同步补偿宽度（SJW）” 进行调整 —— 要么加长 PBS1 段（让采样点往后移），要么缩短 PBS2 段（让采样点往前移）；

调整的幅度不能超过 SJW 的设定值（通常 SJW=1-4Tq），避免调整过度导致新的同步问题。

简单理解：再同步就像跑步时的 “微调步伐”—— 硬同步是起跑时大家对齐起跑线，再同步是跑步过程中，有人快了就放慢一点，有人慢了就加快一点，始终保持队伍整齐。

5. 波特率计算：怎么算出 “约定的传输速度”？

波特率是 CAN 总线的 “传输速度”（比如 200kbps、500kbps），核心公式很简单：波特率 = 1 / 一个数据位的总时长而 “一个数据位的总时长”= （SS 的 Tq 数 + PTS 的 Tq 数 + PBS1 的 Tq 数 + PBS2 的 Tq 数）× Tq 的实际时间

举个具体例子（和你原文一致，补充细节说明）：

设定各段 Tq 数：SS=1Tq、PTS=3Tq、PBS1=3Tq、PBS2=3Tq；

已知 Tq=0.5μs（由芯片时钟分频得到，比如芯片时钟 16MHz，分频 32 后就是 0.5μs/Tq）；

一个数据位的总时长 = （1+3+3+3）× 0.5μs = 10×0.5μs = 5μs；

波特率 = 1 / 5μs = 200kbps（注：1 秒 = 10^6 微秒，1/5μs=200000 次 / 秒 = 200kbps）。

再补充一个常见场景：如果 Tq=0.25μs，各段 Tq 数不变，总时长 = 10×0.25μs=2.5μs，波特率就是 400kbps—— 可见，调整 Tq 的实际时间或各段 Tq 数，就能改变波特率。

二、仲裁机制：总线的 “有序抢答规则”

上一部分我们搞懂了位同步 —— 解决的是 “设备之间时钟不同步，数据读不准” 的问题。这一部分，我们聚焦另一个核心问题：CAN 总线就像 “一条公共电话线”，所有设备都连在上面，如果多个设备同时想发数据，怎么避免 “说话打架”？ 这就需要 CAN 总线的 “交通规则”——仲裁机制。

1. 为什么必须有仲裁？—— 避免 “同时说话” 的混乱

CAN 总线的核心特点是 “共享总线”：只用一对差分信号线，所有设备都挂在这对线上。这就像一群人共用一个对讲机，要是两个人同时开口，声音混在一起，谁都听不清 ——CAN 总线也是如此，同一时间只能有一个设备 “说话”（发数据）。

如果没有仲裁机制，多个设备同时发数据，会导致：

数据混乱：不同设备的信号叠加，接收方根本无法识别有效数据；

资源浪费：传输无效数据，浪费总线带宽（传输时间）；

硬件风险：极端情况下，信号冲突可能损坏设备接口。

所以，仲裁机制的核心目标是：制定一套 “公平又高效” 的规则，让多个设备有序使用总线，避免冲突，同时优先满足高优先级设备的需求。

2. 仲裁的核心逻辑：先看 “总线闲不闲”，再比 “谁的优先级高”

CAN 仲裁分两步走：第一步判断总线是否可用，第二步若多个设备同时抢总线，就通过 “比拼” 决定谁先用 —— 整个过程不会破坏已发送的有效数据（这就是非破坏性仲裁的关键）。

（1）第一步：判断总线是否空闲 ——“没人用我再说话”

CAN 总线有个总线空闲标准：当总线上出现连续 11 个 “隐性电平”（可以理解为 “安静状态”，对应逻辑 1）时，就说明总线没人用了。

只有确认总线空闲，设备才能发起数据帧（发数据）或遥控帧（要数据）；

一旦有设备开始发数据，总线就会进入 “活跃状态”—— 此时总线上会频繁出现 “显性电平”（可以理解为 “说话状态”，对应逻辑 0），不可能再出现连续 11 个隐性电平，其他设备看到后就知道 “总线有人用了”，会乖乖排队等空闲；

补充：如果总线活跃时，某设备发现严重错误（比如数据传错），可以发送错误帧或过载帧强行打断当前传输 —— 这是特殊情况，目的是避免错误数据继续传播。

（2）第二步：同时抢总线？—— 比 ID，小 ID 赢（非破坏性仲裁核心）

如果多个设备的发送需求 “撞车”（比如同时检测到总线空闲，一起开始发数据），就进入 “仲裁比拼” 环节。核心规则是：比 ID 号，ID 号越小，优先级越高，最终获得总线控制权。

这个比拼能实现 “非破坏性”（不会浪费已发送的有效数据），全靠两个关键设计：

① 线与特性：“只要有一个人说话，其他人再安静也没用”

这是 CAN 总线的硬件核心特性，简单说：

总线上只要有一个设备发送 “显性电平 0”，整个总线就呈现 “0”（相当于 “有人在说话”）；

只有所有设备都发送 “隐性电平 1”，总线才呈现 “1”（相当于 “所有人都安静”）。

类比成对讲机：哪怕你想安静（发 1），但只要有别人在说话（发 0），你听到的就是别人的声音（总线状态为 0）。

② 回读机制：“发完一个字，立刻听一下自己说的对不对”

每个设备发送一个数据位后，都会立刻回读总线当前的电平—— 确认自己发的信号有没有被总线正确呈现。结合线与特性，会出现两种情况：

若设备发的是 “0”（显性）：不管其他设备发什么，总线都一定是 0，回读结果必然和发送一致，设备会继续发下一位；

若设备发的是 “1”（隐性）：如果回读发现总线是 0，就说明有其他设备发了 0（优先级更高），自己的 1 被 “覆盖” 了 —— 此时设备会立刻知道 “我输了”，马上停止发送，转而变成接收状态，乖乖听赢的设备传数据。

③ 比拼过程：逐位 PK，输了就 “闭嘴”

仲裁时，所有设备会从 ID 号的最高位开始，逐位发送 + 回读，一旦出现差异，输的设备立刻退出，全程不破坏已发送的正确数据。

举个通俗例子（用 3 位 ID 简化，实际标准 ID 是 11 位，扩展 ID 是 29 位）：

设备 A：ID=001（二进制，优先级中等）

设备 B：ID=000（二进制，优先级最高）

设备 C：ID=010（二进制，优先级最低）

三个设备同时检测到总线空闲，一起开始发 ID：

第 1 位（最高位）：A、B、C 都发 0 → 回读都是 0，所有人继续；

第 2 位：A、B 都发 0，C 发 1 → C 回读发现总线是 0（被 A、B 的 0 覆盖），立刻知道自己输了，停止发送，转成接收；

第 3 位：A 发 1，B 发 0 → A 回读发现总线是 0（被 B 的 0 覆盖），知道自己输了，停止发送，转成接收；

最终：只有 B（ID=000）继续发送完整数据，A 和 C 安静接收 —— 整个过程中，B 已经发送的 ID 位都是正确的，没有被破坏，这就是非破坏性仲裁的优势。

3. 补充规则：特殊情况的优先级判定

除了 “ID 越小优先级越高”，还有两个特殊仲裁规则，确保仲裁更合理：

（1）数据帧 vs 遥控帧：数据帧优先级更高

如果两个设备的 ID 号完全一样，一个发 “数据帧”（给别人传数据），一个发 “遥控帧”（向别人要数据）——数据帧会赢。

原因很简单：“发数据” 通常是更紧急的需求（比如传感器检测到故障，立刻发报警数据），而 “要数据” 可以稍等，避免 “要数据的设备” 打断 “发关键数据的设备”。

（2）标准 ID（11 位） vs 扩展 ID（29 位）：标准 ID 优先级更高

如果标准 ID（11 位）和扩展 ID（29 位）的 “高 11 位” 完全一样，标准 ID 设备会赢—— 这靠扩展帧里的SRR 位（替代远程请求位）保证：

标准帧的对应位置（IDE 位之后）发送的是 “显性电平 0”；

扩展帧的 SRR 位必须固定发送 “隐性电平 1”；

比拼到这一位时，扩展帧发 1 但回读是 0（被标准帧的 0 覆盖），会立刻退出仲裁，确保标准帧优先。

4. 仲裁的核心优势：高效、有序、无浪费

总结一下 CAN 仲裁机制的核心好处：

无需 “中央控制器”：不用专门的设备分配总线资源，所有设备按规则自行比拼，降低系统复杂度；

非破坏性：就算同时抢总线，也不会破坏已发送的有效数据，避免带宽浪费；

优先级明确：通过 ID 设定优先级，紧急消息（小 ID）能优先传输（比如汽车上的刹车信号 ID 比空调信号 ID 小，确保刹车信号优先）；

自动排队：仲裁失利的设备会自动等待下一次总线空闲，重新尝试发送，无需人工干预。

三、错误处理机制：CAN 总线的 “自动纠错与故障隔离系统”

解决了 “时钟不同步” 的位同步问题、“谁先说话” 的仲裁问题后，CAN 通信还需要应对最后一个关键挑战：数据传错了怎么办？ 这就需要 CAN 总线的 “纠错保安”——错误处理机制。它能自动检测传输错误、标记错误状态，甚至隔离故障设备，确保总线整体通信稳定。

1. 核心目标：及时发现错误、减少错误影响、隔离故障设备

CAN 总线工作在工业控制、汽车电子等复杂环境中，难免受到电磁干扰、线路接触不良等影响，导致数据传输错误。错误处理机制的核心作用是：

快速检测：在数据传输过程中实时监控，第一时间发现错误；

主动告警：通过发送 “错误帧” 告知总线上其他设备 “当前数据有误”；

状态管理：根据错误发生频率，调整设备自身的通信状态（避免故障设备持续干扰总线）；

故障隔离：若设备频繁出错，自动将其 “隔离”（总线关闭状态），确保其他设备正常通信。

2. 3 种设备错误状态：从 “正常工作” 到 “暂停通信”

每个 CAN 设备都有一套 “错误状态管理逻辑”，根据错误发生情况，设备会处于以下 3 种状态之一，状态由两个核心计数器决定（后文详解）：

通俗类比：

主动错误状态 = 健康的员工（偶尔犯错，及时上报并纠正）；

被动错误状态 = 频繁出错的员工（被警告，仍可工作但需低调，不影响他人）；

总线关闭状态 = 严重失职的员工（被暂停工作，隔离处理）。

3. 核心工具：错误计数器（TEC + REC）—— 状态的 “判定标尺”

设备的错误状态由两个错误计数器决定，计数器的增减严格遵循 CAN 协议规则：

TEC（Transmit Error Counter）：发送错误计数器

记录设备 “发送数据时” 发生的错误次数（比如发送后检测到数据异常）；

REC（Receive Error Counter）：接收错误计数器

记录设备 “接收数据时” 发生的错误次数（比如接收的数据校验失败）。

计数器核心规则（关键！）：

计数器增加场景：

设备发送数据时检测到错误：TEC += 8；

设备接收数据时检测到错误：REC += 1（若当前是被动错误状态，REC += 2）；

设备发送主动错误帧后，又检测到总线错误：TEC += 8；

计数器减少场景：

设备成功发送一帧完整数据（无错误）：TEC -= 1（TEC≥0 时）；

设备成功接收一帧完整数据（无错误）：REC -= 1（REC≥0 时）；

状态切换条件：

主动错误状态：TEC < 128且REC < 128；

被动错误状态：128 ≤ TEC ≤ 255或128 ≤ REC ≤ 255；

总线关闭状态：TEC > 255（此时设备停止所有通信）。

4. 5 种核心错误类型：CAN 总线能检测的 “所有错误场景”

CAN 协议定义了5 种必须检测的错误类型，覆盖从 “单 bit 错误” 到 “格式错误” 的所有常见问题，每种错误都有明确的检测逻辑：

（1）位错误（Bit Error）——“发送和接收的不一致”

触发条件：设备发送一个数据位后，通过 “回读机制” 读取总线电平，发现 “发送的电平” 与 “总线实际电平” 不一致（特殊情况除外：仲裁段的隐性位、应答段的显性位不判定为位错误）；

通俗解释：你说 “1”（发隐性电平），但总线实际是 “0”（被其他设备的显性电平覆盖），且这种情况不在允许的特殊场景内，就判定为位错误；

检测方：发送数据的设备（只有发送方会回读自己的发送位，所以由发送方检测）。

（2）填充错误（Stuff Error）——“违反了‘位填充’规则”

触发条件：CAN 总线为了同步和抗干扰，有 “位填充规则”—— 连续发送 5 个相同电平（比如 5 个 0 或 5 个 1）后，必须插入 1 个相反电平（第 6 位为反相）；若设备检测到连续 6 个及以上相同电平，就判定为填充错误；

通俗解释：约定 “最多连续说 5 个相同的字”，结果有人连续说 6 个，就违反规则，判定为错误；

检测方：所有接收设备（发送方也会监控自己的发送数据，若违反规则也会检测到）。

（3）CRC 错误（CRC Error）——“数据校验失败”

触发条件：发送方会在数据帧 / 遥控帧的 “CRC 段”，发送一个基于数据内容计算的 “CRC 校验码”；接收方接收完数据后，会用同样的算法计算 CRC 码，若与接收到的 CRC 校验码不一致，就判定为 CRC 错误；

通俗解释：你给朋友发消息时，在末尾加了 “校验码：123”（基于消息内容计算），朋友收到后计算出的校验码是 “456”，就知道消息传错了；

检测方：所有接收设备。

（4）格式错误（Form Error）——“数据帧格式不符合规则”

触发条件：CAN 帧的固定格式位（比如帧起始 SOF、仲裁段 IDE 位、CRC 界定符、ACK 界定符、帧结束 EOF 等）有固定的电平要求（比如 EOF 必须是 7 个隐性电平）；若设备检测到这些固定格式位的电平不符合协议规定，就判定为格式错误；

通俗解释：约定 “消息开头必须是‘您好’”，结果有人开头是 “喂”，就违反格式规则；

检测方：所有接收设备（发送方也会自检）。

（5）应答错误（Acknowledgment Error）——“发送的数据没人确认”

触发条件：发送方发送完数据后，会在 “ACK 段” 发送一个隐性电平（1），并等待接收方回应；接收方成功接收数据后，会在 ACK 段发送一个显性电平（0）作为 “确认信号”；若发送方在 ACK 段回读发现总线仍是隐性电平（1），说明没有任何接收方确认收到数据，判定为应答错误；

通俗解释：你喊 “有人收到消息吗？”（发隐性电平），但没人回应 “收到”（显性电平），就知道消息没被接收；

检测方：发送数据的设备。

5. 错误帧：错误发生时的 “告警信号”

当设备检测到上述任何一种错误时，会立刻发送错误帧，告知总线上其他设备 “当前数据有误”，错误帧分为两种，对应设备的错误状态：

主动错误帧：由 “主动错误状态” 的设备发送，结构是 “6 个连续的显性电平（强告警）+ 8 个隐性电平（恢复同步）”—— 相当于 “大声喊：这里出错了！”，会强制中断当前的数据传输；

被动错误帧：由 “被动错误状态” 的设备发送，结构是 “6 个连续的隐性电平（弱告警）+ 8 个隐性电平（恢复同步）”—— 相当于 “小声说：这里好像出错了”，不会强制中断传输，避免影响其他设备。

6. 错误恢复：出错后如何重新通信？

若设备发送主动错误帧后，总线会暂停当前传输，所有设备等待总线空闲（连续 11 个隐性电平）后，仲裁失利的设备会重新尝试发送数据；

若设备处于被动错误状态，每次发送数据前，必须等待总线空闲后再延迟一段 “被动错误延迟时间”，避免与正常设备冲突；

若设备进入总线关闭状态，需通过两种方式恢复：① 硬件复位（重启设备）；② 软件复位（通过 CAN 控制器的复位命令，让 TEC/REC 计数器清零，恢复为主动错误状态）。

CAN 总线的错误处理机制，通过 “5 种错误检测 + 2 个错误计数器 + 3 种状态管理”，实现了 “自动检测、主动告警、状态自适应、故障隔离” 的全流程纠错能力。哪怕总线上有个别设备故障，也能通过状态切换和总线关闭机制，确保其他设备正常通信 —— 这也是 CAN 总线在工业控制、汽车电子等对稳定性要求极高的场景中，被广泛应用的核心原因之一。