異步通信因無全局時鐘、依賴幀結(jié)構(gòu)同步，易受電磁干擾、總線衰減、節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。CAN 總線通過 “多層級錯誤檢測”、“錯誤計(jì)數(shù)器與狀態(tài)機(jī)”、“總線離線隔離” 三大機(jī)制，構(gòu)建了高可靠的容錯體系，確保即使在惡劣環(huán)境中，仍能維持通信穩(wěn)定，避免故障節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散錯誤。

（一）多層級錯誤檢測：覆蓋通信全流程

CAN 總線定義了五種核心錯誤類型，通過硬件級檢測機(jī)制，覆蓋從位傳輸?shù)綆Y(jié)束的全流程，確保錯誤能被快速識別：

位錯誤（Bit Error）：發(fā)送方發(fā)送一位數(shù)據(jù)后，在采樣點(diǎn)檢測到總線電平與自身發(fā)送電平不一致（ACK 槽除外），判定為位錯誤。例如，發(fā)送方發(fā)送顯性位，卻檢測到總線為隱性位，可能是總線短路或其他節(jié)點(diǎn)干擾導(dǎo)致。

填充錯誤（Stuff Error）：CAN 協(xié)議規(guī)定 “連續(xù) 5 個相同位后必須插入 1 個相反位（位填充）”，接收方若檢測到連續(xù) 6 個相同位且非幀結(jié)束，判定為填充錯誤。填充錯誤通常源于發(fā)送方位填充邏輯故障或總線信號干擾導(dǎo)致的位丟失。

CRC 錯誤（CRC Error）：接收方計(jì)算的 CRC 值與發(fā)送方的 CRC 場不一致，判定為 CRC 錯誤。CRC 錯誤是數(shù)據(jù)傳輸錯誤的直接體現(xiàn)，可能由電磁干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)引起。

ACK 錯誤（Acknowledgment Error）：發(fā)送方在 ACK 槽發(fā)送隱性位后，未檢測到總線的顯性位（無節(jié)點(diǎn)確認(rèn)接收），判定為 ACK 錯誤。ACK 錯誤說明無節(jié)點(diǎn)正確接收幀，可能是總線斷路或所有接收節(jié)點(diǎn)故障。

幀格式錯誤（Form Error）：接收方檢測到幀結(jié)構(gòu)中的固定字段（如 CRC 界定符、ACK 界定符、幀結(jié)束）應(yīng)為隱性位卻出現(xiàn)顯性位，判定為幀格式錯誤。幀格式錯誤通常源于發(fā)送方幀結(jié)構(gòu)構(gòu)建錯誤或總線嚴(yán)重干擾。

這些錯誤檢測均由 CAN 控制器硬件實(shí)時執(zhí)行，無需 MCU 干預(yù)，檢測延遲僅為 1~2 個 TQ，確保錯誤能在幀傳輸過程中被快速識別，避免錯誤數(shù)據(jù)被處理。

（二）錯誤計(jì)數(shù)器與狀態(tài)機(jī)：動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)行為

CAN 控制器內(nèi)置 “發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器（TEC）” 與 “接收錯誤計(jì)數(shù)器（REC）”，通過計(jì)數(shù)器數(shù)值動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的錯誤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) “分級容錯”—— 根據(jù)錯誤嚴(yán)重程度，節(jié)點(diǎn)分為 “錯誤主動（Error Active）”、“錯誤被動（Error Passive）”、“總線離線（Bus-Off）” 三種狀態(tài)，避免故障節(jié)點(diǎn)持續(xù)干擾總線：

錯誤主動狀態(tài)（默認(rèn)狀態(tài)）：TEC≤96 且 REC≤96，節(jié)點(diǎn)具備完整的發(fā)送與錯誤處理能力。檢測到錯誤時，節(jié)點(diǎn)發(fā)送 “主動錯誤幀”（6 個顯性位 + 8 個隱性位），通知所有節(jié)點(diǎn)存在錯誤，并根據(jù)錯誤類型更新計(jì)數(shù)器（如位錯誤 TEC+8、REC+8）；發(fā)送成功時，TEC-1（最低為 0），接收成功時，REC-1（最低為 0）。

錯誤被動狀態(tài)：TEC>96 或 REC>96，節(jié)點(diǎn)因錯誤較多，限制發(fā)送能力以減少干擾。檢測到錯誤時，節(jié)點(diǎn)發(fā)送 “被動錯誤幀”（6 個隱性位 + 8 個隱性位），不主動觸發(fā)總線顯性位；發(fā)送數(shù)據(jù)時，需等待總線空閑 11 個隱性位后才能發(fā)送，避免與其他節(jié)點(diǎn)沖突；當(dāng) TEC≤96 且 REC≤96 時，恢復(fù)為錯誤主動狀態(tài)。

總線離線狀態(tài)：TEC>255，節(jié)點(diǎn)因嚴(yán)重錯誤被隔離。此時節(jié)點(diǎn)完全停止發(fā)送數(shù)據(jù)（包括錯誤幀），僅監(jiān)聽總線，當(dāng)檢測到 128 次連續(xù) 11 個隱性位（總線空閑）時，TEC 與 REC 清零，恢復(fù)為錯誤主動狀態(tài)?？偩€離線狀態(tài)是最后的容錯手段，避免故障節(jié)點(diǎn)（如 CAN 收發(fā)器短路）持續(xù)發(fā)送錯誤幀，導(dǎo)致整個總線癱瘓。

例如，汽車中的某傳感器節(jié)點(diǎn)因線路接觸不良，持續(xù)發(fā)送位錯誤幀，TEC 從 0 逐步增加：TEC=8（第一次錯誤）→ TEC=96（第 12 次錯誤）→ TEC=97（第 13 次錯誤，進(jìn)入錯誤被動狀態(tài)）→ TEC=256（第 32 次錯誤，進(jìn)入總線離線狀態(tài)）。離線后，節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送，避免干擾發(fā)動機(jī) ECU、ABS 控制器等核心節(jié)點(diǎn)；當(dāng)線路修復(fù)，節(jié)點(diǎn)檢測到 128 次總線空閑后，恢復(fù)正常通信，確保汽車行駛安全。

（三）差分信號與總線拓?fù)洌何锢韺涌垢蓴_設(shè)計(jì)

CAN 異步通信的可靠性不僅依賴協(xié)議層機(jī)制，還需物理層的抗干擾設(shè)計(jì) —— 通過差分信號傳輸、總線拓?fù)鋬?yōu)化、終端電阻匹配，減少電磁干擾與信號衰減，為異步通信提供穩(wěn)定的物理基礎(chǔ)。

差分信號傳輸：CAN 總線采用 CAN_H 與 CAN_L 兩根雙絞線傳輸差分信號，顯性位時 CAN_H=3.5V、CAN_L=1.5V（差分電壓 2V），隱性位時 CAN_H=CAN_L=2.5V（差分電壓 0V）。差分信號的優(yōu)勢在于 “抗共模干擾”—— 電磁干擾（如電機(jī)噪聲、射頻信號）會同時影響 CAN_H 與 CAN_L，產(chǎn)生相同的共模電壓，而接收方僅檢測差分電壓，共模干擾被抵消，大幅提升抗干擾能力。例如，工業(yè)車間的電機(jī)啟動時產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，共模電壓可達(dá) 1V，但差分電壓仍穩(wěn)定在 2V，接收方仍能準(zhǔn)確識別顯性位。

總線拓?fù)渑c終端電阻：CAN 總線采用 “線性總線拓?fù)洹保ㄋ泄?jié)點(diǎn)并聯(lián)在 CAN_H/CAN_L 上），避免星形、樹形拓?fù)鋵?dǎo)致的信號反射；總線兩端的節(jié)點(diǎn)需接入 120Ω 終端電阻，匹配總線特性阻抗（雙絞線特性阻抗約 120Ω），減少信號反射。信號反射會導(dǎo)致總線電平出現(xiàn)毛刺，引發(fā)位錯誤，終端電阻可將反射信號吸收，確保信號完整性。例如，100 米長的 CAN 總線，若未接終端電阻，信號反射會導(dǎo)致顯性位電平波動 ±0.5V，接終端電阻后波動小于 ±0.1V，滿足異步通信的采樣要求。

總線保護(hù)措施：實(shí)際應(yīng)用中，CAN 總線還需加入過壓保護(hù)（如 TVS 二極管）、過流保護(hù)（如自恢復(fù)保險(xiǎn)絲），防止雷擊、電源浪涌導(dǎo)致的收發(fā)器損壞。例如，汽車 CAN 總線在 CAN_H/CAN_L 與地之間并聯(lián) TVS 二極管（型號 SMBJ6.5CA），當(dāng)總線電壓超過 6.5V 時，TVS 二極管擊穿，將過壓電流導(dǎo)入地，保護(hù) CAN 收發(fā)器（如 TJA1050）不被燒毀。