CAN 異步通信的實(shí)現(xiàn)，依賴于精密設(shè)計(jì)的 “幀結(jié)構(gòu)” 與 “位同步機(jī)制”—— 幀結(jié)構(gòu)界定了數(shù)據(jù)的組織形式與邊界，位同步則解決了分布式時(shí)鐘偏差導(dǎo)致的采樣誤差，兩者共同構(gòu)成了 CAN 異步通信的技術(shù)核心，確保即使節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘存在 ±10% 偏差，仍能準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)。

（一）幀結(jié)構(gòu)：異步通信的 “數(shù)據(jù)容器”

CAN 總線定義了四種核心幀類型（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀），其中數(shù)據(jù)幀是異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵妮d體，其結(jié)構(gòu)通過(guò) “固定字段 + 可變字段” 的組合，實(shí)現(xiàn)了 “自界定、可校驗(yàn)、易同步” 的設(shè)計(jì)目標(biāo)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) CAN 數(shù)據(jù)幀（CAN 2.0A）由 7 個(gè)字段組成，從幀起始到幀結(jié)束，每個(gè)字段都承擔(dān)著異步通信的關(guān)鍵功能：

幀起始（Start of Frame, SOF）：1 位顯性位（邏輯 0），是異步通信的 “同步觸發(fā)信號(hào)”。由于 CAN 節(jié)點(diǎn)無(wú)全局時(shí)鐘，接收方平時(shí)處于監(jiān)聽總線的隱性位（邏輯 1）狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到顯性位時(shí)，立即啟動(dòng)位同步過(guò)程，調(diào)整本地采樣時(shí)鐘，確保后續(xù)位的采樣時(shí)機(jī)準(zhǔn)確。幀起始的顯性位是整個(gè)幀的 “啟動(dòng)標(biāo)志”，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)它實(shí)現(xiàn)幀級(jí)別的同步。

仲裁場(chǎng)（Arbitration Field）：包含 11 位標(biāo)準(zhǔn) ID（CAN 2.0A）或 29 位擴(kuò)展 ID（CAN 2.0B），用于 “節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識(shí)” 與 “優(yōu)先級(jí)仲裁”。在異步通信中，多節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，仲裁場(chǎng)通過(guò) “顯性位優(yōu)先” 規(guī)則解決沖突：發(fā)送節(jié)點(diǎn)逐位比較自身 ID 與總線位 —— 若發(fā)送顯性位而總線為隱性位，說(shuō)明存在更高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)（ID 數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高），則立即停止發(fā)送，轉(zhuǎn)為接收；若所有位比較一致，則獲得總線控制權(quán)，繼續(xù)發(fā)送后續(xù)字段。這種非破壞性仲裁確保了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)（如汽車剎車幀 ID=0x001）不會(huì)被低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)（如車窗控制幀 ID=0x100）打斷，且無(wú)需重發(fā)已發(fā)送的仲裁位，提升了異步通信的實(shí)時(shí)性。

控制場(chǎng)（Control Field）：6 位，包含 2 位 IDE 位（ID 類型標(biāo)志，0 = 標(biāo)準(zhǔn) ID，1 = 擴(kuò)展 ID）與 4 位 DLC 位（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼，0~8 字節(jié)）。IDE 位用于區(qū)分 ID 類型，確保接收方正確解析后續(xù)字段；DLC 位明確數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)，避免接收方因數(shù)據(jù)長(zhǎng)度未知導(dǎo)致的解析錯(cuò)誤 —— 在異步通信中，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，DLC 位為接收方提供了關(guān)鍵的 “數(shù)據(jù)邊界信息”，例如 DLC=2 表示數(shù)據(jù)場(chǎng)包含 2 字節(jié)數(shù)據(jù)，接收方只需讀取 2 字節(jié)即可，無(wú)需等待停止位。

數(shù)據(jù)場(chǎng)（Data Field）：0~8 字節(jié)（CAN 2.0）或 0~64 字節(jié)（CAN FD），是異步通信的 “數(shù)據(jù)載體”。數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度由 DLC 位定義，支持靈活傳輸不同大小的數(shù)據(jù)（如傳感器的 1 字節(jié)狀態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的 4 字節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)）。在異步傳輸中，數(shù)據(jù)場(chǎng)無(wú)需固定長(zhǎng)度，按需分配字節(jié)數(shù)，既節(jié)省總線帶寬，又適應(yīng)不同設(shè)備的通信需求。

CRC 場(chǎng)（Cyclic Redundancy Check Field）：15 位 CRC 校驗(yàn)碼 + 1 位 CRC 界定符（隱性位），用于 “數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)”。由于異步通信易受電磁干擾（如汽車射頻、工業(yè)電機(jī)噪聲）導(dǎo)致數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)，CRC 場(chǎng)通過(guò)多項(xiàng)式運(yùn)算（CAN 協(xié)議規(guī)定的 CRC-15 多項(xiàng)式）對(duì)幀起始至數(shù)據(jù)場(chǎng)的所有位進(jìn)行校驗(yàn)，接收方計(jì)算的 CRC 值與發(fā)送方不一致時(shí)，判定為 CRC 錯(cuò)誤，立即發(fā)送錯(cuò)誤幀，觸發(fā)重發(fā)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)可靠。

ACK 場(chǎng)（Acknowledgment Field）：2 位，包含 1 位 ACK 槽（隱性位）與 1 位 ACK 界定符（隱性位）。在異步通信中，發(fā)送方無(wú)法直接確認(rèn)接收方是否收到數(shù)據(jù)，ACK 場(chǎng)通過(guò) “分布式確認(rèn)” 解決這一問(wèn)題：發(fā)送方在 ACK 槽發(fā)送隱性位，所有正確接收幀的節(jié)點(diǎn)（包括非目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）在 ACK 槽發(fā)送顯性位，若發(fā)送方檢測(cè)到 ACK 槽為顯性位，說(shuō)明至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收；若為隱性位，則判定為 ACK 錯(cuò)誤，觸發(fā)重發(fā)。這種分布式確認(rèn)無(wú)需接收方單獨(dú)發(fā)送確認(rèn)幀，簡(jiǎn)化了異步通信的交互流程，提升了效率。

幀結(jié)束（End of Frame, EOF）：7 位隱性位，是異步通信的 “結(jié)束標(biāo)志”。接收方檢測(cè)到 7 個(gè)連續(xù)隱性位時(shí)，確認(rèn)幀傳輸完成，釋放總線資源，準(zhǔn)備接收下一幀。幀結(jié)束的隱性位序列既避免了與下一幀的幀起始（顯性位）混淆，又為節(jié)點(diǎn)提供了 “幀間隔” 時(shí)間，用于處理已接收數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備發(fā)送新數(shù)據(jù)。

除數(shù)據(jù)幀外，遠(yuǎn)程幀（用于請(qǐng)求數(shù)據(jù)）、錯(cuò)誤幀（用于報(bào)告錯(cuò)誤）、過(guò)載幀（用于通知節(jié)點(diǎn)延遲接收）的結(jié)構(gòu)均圍繞 “異步通信” 設(shè)計(jì) —— 遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)，通過(guò) ID 請(qǐng)求目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；錯(cuò)誤幀包含 6 位錯(cuò)誤標(biāo)志（顯性位或隱性位）與 8 位錯(cuò)誤界定符（隱性位），用于向所有節(jié)點(diǎn)廣播錯(cuò)誤；過(guò)載幀與錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)類似，用于在接收方緩沖區(qū)滿時(shí)，通知發(fā)送方延遲發(fā)送。這些幀類型共同構(gòu)成了 CAN 異步通信的 “完整協(xié)議?！?，覆蓋了數(shù)據(jù)傳輸、請(qǐng)求、錯(cuò)誤處理、流量控制的全流程。

（二）位同步機(jī)制：解決分布式時(shí)鐘偏差的核心

CAN 節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘由獨(dú)立晶振提供，不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率可能存在偏差（如 ±5%~±10%），若不進(jìn)行同步，接收方會(huì)因采樣時(shí)機(jī)偏移導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤判（如將顯性位采樣為隱性位）。CAN 的 “位同步機(jī)制” 通過(guò) “硬同步” 與 “軟同步” 結(jié)合，動(dòng)態(tài)調(diào)整接收方的采樣時(shí)鐘，確保即使在時(shí)鐘偏差較大的情況下，仍能準(zhǔn)確采樣每一位數(shù)據(jù)。

CAN 總線的每一位時(shí)間由 “同步段（SYNC_SEG）”、“傳播段（PROP_SEG）”、“相位緩沖段 1（PHASE_SEG1）”、“相位緩沖段 2（PHASE_SEG2）” 四個(gè)部分組成，總時(shí)長(zhǎng)為 8~25 個(gè)時(shí)間量子（TQ，Time Quantum，由節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘分頻得到，如 8MHz 時(shí)鐘分頻為 8，TQ=1μs）：

同步段（SYNC_SEG）：1 個(gè) TQ，用于 “硬同步”。接收方檢測(cè)到總線從隱性位變?yōu)轱@性位（幀起始或仲裁位的電平跳變）時(shí)，立即將本地位時(shí)鐘的同步段與總線跳變對(duì)齊，強(qiáng)制調(diào)整本地時(shí)鐘相位，這一過(guò)程稱為硬同步。硬同步僅在檢測(cè)到電平跳變時(shí)執(zhí)行，確保幀起始的第一位采樣準(zhǔn)確。

傳播段（PROP_SEG）：1~8 個(gè) TQ，用于補(bǔ)償 “總線傳輸延遲”。在分布式系統(tǒng)中，總線長(zhǎng)度可能達(dá)數(shù)十米（如汽車總線），信號(hào)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗酱嬖谘舆t（如 50 米雙絞線的傳輸延遲約 0.25μs），傳播段的時(shí)長(zhǎng)需覆蓋這一延遲，確保接收方在信號(hào)穩(wěn)定后再采樣。

相位緩沖段 1（PHASE_SEG1）：1~8 個(gè) TQ，用于 “軟同步”。接收方在相位緩沖段 1 的末尾（采樣點(diǎn)）采樣總線電平，若采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與本地時(shí)鐘預(yù)期電平不一致（如本地時(shí)鐘認(rèn)為當(dāng)前位應(yīng)為顯性位，總線實(shí)際為隱性位），則通過(guò) “相位緩沖段調(diào)整” 增加 PHASE_SEG1 的時(shí)長(zhǎng)（最多增加 8 個(gè) TQ），延遲采樣點(diǎn)，直到采樣到正確電平，這一過(guò)程稱為軟同步。軟同步可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)鐘頻率偏差，確保后續(xù)位的采樣準(zhǔn)確。

相位緩沖段 2（PHASE_SEG2）：1~8 個(gè) TQ，作為 PHASE_SEG1 的補(bǔ)充，確保位時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)穩(wěn)定。若 PHASE_SEG1 因軟同步被延長(zhǎng)，PHASE_SEG2 會(huì)相應(yīng)縮短，維持位時(shí)間不變，避免位頻率偏移。

例如，某 CAN 節(jié)點(diǎn)的位時(shí)間配置為 10TQ（SYNC_SEG=1TQ，PROP_SEG=2TQ，PHASE_SEG1=4TQ，PHASE_SEG2=3TQ），本地時(shí)鐘為 8MHz（TQ=1μs），位速率為 100kbps（1 位 = 10μs）。當(dāng)接收方檢測(cè)到幀起始的顯性位跳變時(shí)，執(zhí)行硬同步，將同步段與跳變對(duì)齊；在 PHASE_SEG1 末尾（第 7TQ，7μs 時(shí)）采樣第一位數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)總線電平與預(yù)期一致，則正常采樣；若不一致（如時(shí)鐘偏差導(dǎo)致本地時(shí)鐘快于總線），則延長(zhǎng) PHASE_SEG1 至 6TQ，在第 9TQ（9μs 時(shí)）重新采樣，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

這種位同步機(jī)制使 CAN 總線能在節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏差 ±10% 的情況下，實(shí)現(xiàn) 1Mbps 的最高位速率（CAN 2.0），即使在長(zhǎng)距離總線（如 1000 米雙絞線，位速率 50kbps）中，仍能保持穩(wěn)定通信，完全適配分布式異步通信的需求。