CAN、CAN-FD错误帧Bus-Off排查定位

谈思实验室 2023-10-26 18:01

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正文

CAN的BusOff源于错误帧的积累，而错误帧这个东西，是一个接收节点认为数据有误故意打断通信，好让发送节点感知到并重发报文的设计。注意这里边有个“我觉得你有病”的认知陷阱，让CAN的诊断变得近似玄学。本文分享一种用从CAN波形的幅度和脉宽信息来精确定位错误帧来源的方法，可能是首创，哪里没讲明白欢迎反馈。

我们先从基础的讲起，后边会用得到。CAN节点的电路一般如下图所示，MCU内置了CAN控制器用来将MCU的数据封装为CAN帧格式，同时它也负责CAN帧的校验和错误帧的处理。控制器封装好的逻辑报文经TX RX送到CAN收发器，将逻辑信号转变为真正的总线差分波形。

CAN物理层，也就是CAN收发器干了啥

一个典型的双节点CAN网络的物理层等效电路如上图，两颗120Ω终端电阻并联呈现总线电阻60Ω。黑框里是A、B两个节点的CAN收发器（Transceiver），它只负责电平转换。当总线静默时，收发器内部的2.5V电源经15KΩ电阻把CAN-H和CAN-L都拉到2.5V，总线这个状态称之为隐性。当节点A想要驱动总线的时候（TX=0），它同时把内部的上下两个MOS管导通，整个网络的电流流向：节点A的5V电源经二极管、24Ω、两颗终端电阻并联、24Ω、二极管回到节点A的地，总线这个状态称之为显性。CAN总线上的电压实际上就是终端电阻的分压。从节点B来看，CAN-H就变成3.5V，CAN-L变成1.5V，拉出了总线 H - L = 2V 的差分电压，大于0.7V的判断阈值，节点B就认为收到了一个显性（RX=0）。大家可以算一下分压值以增强记忆，后边会用到。

反直觉知识点①：总线无人驱动时，也就是各个节点都隐性时，CAN标准定义这时的TX/RX逻辑电平为1；总线有节点驱动显性，也就是主动拉开差分电压的时候，对应TX/RX端逻辑电平0，这个1/0的反逻辑非常鬼畜，努力适应一下。这么做我猜有两个原因：一是对地逻辑的抗扰能力强一些，NMOS载流能力强&回流路径短；二是为了数学上的严谨性：1*1*1*...*1*0 = 0，任意节点驱动显性0，那总线就是显性0；所有节点隐性1，总线才是隐性1。但这样的反逻辑带来一个问题是，电路设计时需要尤其注意上下电时序，上电/休眠/唤醒过程中千万不要出现MCU已下电(TX拉低)但CAN收发器还供5V电的情况。如果实在难以避免，可以试试单3.3V的CAN收发器SN65HVD230，它不需要5V电源，逻辑电和驱动电共用同一路3.3V，肯定不会出现电源时序问题。

反直觉知识点②：理论上CAN_L短地，或 CAN_H短路12V，因60Ω终端电阻的存在，隐性时CAN-H与CAN-L之间基本还是重合的，显性时也能正常拉开压差，能维持正常通信，只不过丢包率可能会大一点。大家可以算算总线电压，示波器很容易诊断这个问题。另外，如果你看到CAN的通信电压不是以2.5V为中心对称的，也有可能是多个CAN线交叉错接，比如CAN1_L错接到了CAN2_L上。

反直觉知识点③：一个CAN网络里，120Ω终端电阻1~4颗都能工作，少了的话离终端电阻远的节点抗扰度会差，多了的话显性差分电压可能无法触发阈值。

反直觉知识点④：除了线路的最远端，任何稍长的CAN分支都可以加1K~4.7K的支线电阻，跑点电流来改善抗扰度。只要分支别太长，大致1Mbps以内的任何总线其终端电阻都是跑电流增强抗扰的，不涉及真正的阻抗或者反射抑制，双绞的要求也不是特别严格，排查时无需过于严苛。

CAN链路层，也就是CAN控制器干了啥

回顾完物理层，咱来看链路层，CAN帧的标准格式。当发送节的MCU将TX由1变0的时候，CAN收发器将CAN-H拉高&CAN-L拉低，接收节点收到了H-L>0.7V的压差后，接收节点的CAN收发器RX输出由1变0。下图是一个节点接收到CAN波形后解码出的RX逻辑。

一帧报文里边有比较关键的几段： $仲裁段$ 、 $控制段$ 、 $数据段$ 、CRC段、ACK段。

$仲裁段$ 中的大部分是CAN报文的ID，起名为“仲裁”其实是因为这一段有优先级仲裁的功能：假设A、B两个节点在同一时刻抢发报文，节点A要发二进制ID为001的报文，B要发010。当A、B节点都在发第一位的显性0的时候，总线会同时被两个节点驱动显性，A、B节点回读总线也都是显性，相互之间还意识不到对方的存在。当节点A发到第二位的0，节点B发到第二位的1的时候，总线只有节点A驱动显性0，节点B不驱动却发现总线被别人驱动了，此时节点B会认为CAN线上有比自己这帧010优先级更高的数据，节点B就会主动停发，让节点A独占总线发完。之后节点B怀揣着这帧数据再次参与总线优先级的仲裁。

反直觉知识点①：CAN作为一个对等网络，没有主从关系，报文全部广播，节点本身也没有优先级概念，只有报文ID的优先级。可以这么理解：CAN节点是“由事件驱动的”，比如刹车制动器，它能发高优先级的“刹车被踩下”的报文，也会发低优先级的“刹车油位正常”的报文，这些报文根据ID的大小在总线上自由竞争优先级，而不是刹车制动器这个节点的话语权一定高。这个特性就要求设计人员提前规划好所有报文优先级和周期（即“通信矩阵”）才能保证整个CAN网络如期运转。如果你的CAN网络有大量雷同节点，节点又只有一帧报文，那么ID数大（优先级低）的节点一定会在总线繁忙或干扰重发的时候"插不上嘴"，可以试试把时间戳融合到ID里边，确保各节点的新数据优先级最高，旧数据自然会被仲裁掉。

反直觉知识点②：在A、B节点同时驱动第一个显性0的时候，总线被两个节点同时驱动，电压会显著高于2V。示波器上会看到在仲裁段的头部有明显的电平凸台，后续节点A抢占总线之后电压会回归正常的2V。

反直觉知识点③：各个节点的时钟同步是把每个bit做16~20份的数字切片来实现的，这个切的份数不建议太多或太少。详细机制请参阅 ZLG致远电子的这篇：CAN同步机制，你真的了解吗？

$控制段$ 中有几个控制位，这里拿几个常用的举例。IDE位为扩展ID的指示。如果IDE位为隐性1，就会在后边再续上18位的ID，共11+18=29位长度。比如0x9E就是个11位长度的ID，0x0151就是个29位的ID。R0位是CAN里边的预留位，在CAN-FD里被用作FD帧格式的标志位FDF，这一位为隐性1就会按FD的帧格式解码后续报文。 $D L C$ 指示了后边的 $数据段$ 的长度，例如1000表示后续会有8个Byte长度的数据。CAN-FD协议只在 $数据段$ 会切换成高速率，比如2Mbps/8Mbps，前后其他段的速率保持500kbps不变。

反直觉知识点①：CAN与CAN-FD除了数据段波特率的不同，帧格式也有区别，CAN-FD多了一些控制位。比如FDF(也叫EDL)位用来指示是否按FD帧格式解码，BRS位用来指示是否需要切换高波特率，也就是说，一个FD帧可以全程500kbps不切速率的。CAN与CAN-FD的帧格式区别请参阅：CANFD和CAN的区别简介

反直觉知识点②：CAN控制器的标准ISO11898-1里要求接收方不解读R0位的显隐性，所以CAN的控制器无法过滤FD帧。标准CAN网络里边一旦出现FD帧会因为多了BRS、ESI等控制位被认为是格式错误。同样的，因为CAN 2.0时代R0/FDF帧无意义，也有一些设备把发送出去的CAN帧的R0位错误地置了隐性1，这样的设备在CAN网络里一切正常，但若进入CAN-FD网络就会被解读成FD帧，进而因为缺少BRS、ESI等控制位被认为是格式错误。所以，CAN-FD并不是真的向下兼容CAN，因为旧时代的CAN设备并没有判别R0/FDF位的能力，一旦它进入FD网络就会疯狂地打断通信。

反直觉知识点③：DLC的长度，在CAN标准里DLC可以是0000~1000之间的二进制值，可以用8421的算法直接计算出数据长度。而在CAN-FD中，1001~1111之间的值则被解读为离散的12,16,20,24,32,48,64byte。

CRC段对于从帧头到Data结束之间的数据，CAN协议使用了CRC15这个比较特别的多项式计算校验： $x^{15} + x^{14} + x^{10} + x^{8} + x^{7} + x^{4} + x^{3} + 1$ ，有兴趣的可以手算CRC试试，上边这个图的CRC值是假的。CAN-FD根据数据长度的不同使用了CRC17和CRC21，这里暂不做展开。

ACK段是由收到该帧的CAN节点回复的确认（Acknowledge）。注意发送节点在ACK位一定发的是隐性1，由接收节点回应显性0，双方无缝衔接才在总线上呈现出一个完整的CAN报文。

反直觉知识点①：总线上任何节点只要认为这个帧的结构正确，都会在ACK位回显性0，不管需不需要这一帧的ID和数据。为什么不需要的节点也会回ACK？因为等MCU算完会造成这一位的延迟，搅乱总线时序，不如只保障链路层本身的格式正确，纯芯片数字逻辑实现无延迟。嗯，90年代的总线要求不要太高。

反直觉知识点②：发送节点若发现自己这一帧没有ACK回应，它也会认为总线出错，重发16次后进入Passive error状态，有兴趣的自行研究一下，这里不做展开。

真实CAN波形

来看一个两节点案例：若节点A发送0x9E报文到总线，从节点B收到的总线波形和逻辑侧波形如下：

黄线为CAN-H，绿线为CAN-L，蓝线为节点B的逻辑侧RX，紫线为节点B的逻辑侧TX。可以看到，作为接收方的节点B，总线拉差分电压拉出显性的时候，收发器将RX拉0给到MCU。在节点B想要回应ACK的时候，MCU将TX拉0，CAN收发器在总线上拉出了一个歪斜的显性（歪斜是因为测量点的寄生电感影响）。RX在ACK位置的0，是收发器TX=0驱动总线显性之后回读到的0。

再看一个比较真实的车上波形，CAN网络上大于4个节点：

黄色是CAN_H，高电平表示显性0，绿色是我们挂示波器这个节点的逻辑侧TX，低电平表示显性0。箭头A~D是一帧完整的CAN报文，箭头A~B这个过程中，我们挂示波器的这个节点和另一个节点正在进行优先级仲裁，根据我们之前讲到的物理层的分压原理，两个节点同时驱动电压会高一截。在箭头C这个bit 该节点想发隐性1但发现总线是显性0，那就说明有另外的节点在发送更高优先级的报文，我们这个节点会主动退出发送，成为接收节点，并在箭头D点校验成功后回应ACK，等待报文结束后这个节点再次参与总线仲裁，成功抢占总线如E点所示。

注意波形高度，在箭头A~B之间，差分电压略高于2V，这是正常现象，说明有两个节点同时驱动总线显性，但从逻辑看，因为H-L>0.7V所以都为显性0，纯数字逻辑的CAN控制器在箭头A~B之间还感知不到对方的存在，箭头C点之后才感知得到；而在箭头D点，因为除了发送节点之外的所有节点都在同时驱动ACK，所以总线电压比箭头A~B之间的双节点驱动电压更高。

错误帧

终于到了错误帧，注意，错误帧不是由哪个节点发出的，而是由某个接收节点认为总线错误，才故意驱动总线打断发送方，在总线上呈现为一个错误帧。也就是说错误帧一定是由一个发送节点和至少一个认为发送方有错的节点共同形成的。

位填充：

$位填充$ 规则是CAN协议的灵魂，简单来讲就几个字：逢五补一。当发送节点想要发连续5个bit的显性0的数据，会故意插入一个无意义的隐性1；当出现连续5个bit的隐性1，会故意插入一个无意义的显性0，如下图的紫色bit。如果发送节点漏填了这个0/1，或者这个0/1被干扰成了1/0，接收节点就会判定为“填充错误”，向总线上输出“主动错误标志”——连续六个显性0，故意破坏这一帧报文，发送节点感知到总线错误之后停止发送这一报文的后续部分。你说巧妙不巧妙？连续6个显性0本身就是破坏“逢五补一”规则的，被拿来当错误标志回给发送节点。

假如原始数据是0x00，二进制0000 0000，发送节点发到0000 0的时候发送节点会先插一个1，再发后续的000，成为0000 01000，共9bit长度，接收节点也会在第5bit的0之后预期一个无效的1，解码时抠掉。

假如原始数据是0000 0100，第六位自带1，发送节点发到00000的时候也会先插一个1，再发后续的100，成为0000 01100，共9bit长度。

回读确认：

发送节点发送了0或1的时候，会回读确认总线是否和自己的发送相符，比如在仲裁段抢优先级失败就会等下一帧再发；如果发到了数据段，按理说此时总线应该只有自己，发着发着突然发现回读的0/1与自己发的不同，比如受到了干扰，发送节点就会输出“主动错误标志”——连续6bit显性0，来主动抛弃后续报文，同时让接收节点知道我这一帧有误。

在这时，接收节点收到第6bit显性0的时候，因违背逢五补一的位填充规则，也会往总线上输出“主动错误标志”，所以会在总线上看到连续12bit的显性0，前6个来自发送节点，后6个来自接收节点。

正常情况来说，总线上的显性不应该＞5bits=10us。那么用示波器设置＞11us的脉宽触发模式就很容易定位错误帧的位置，不一定要用解码示波器。

升维打击

CAN网络的幅度和电流可以为我们提供更多维度的信息，此所谓升维打击。

我们先来看一个正常帧，我们叫它节点A吧，它内部有终端电阻，蓝线为H-L的差分电压，紫线是我们节点A的CAN-H引脚电流，输出为正，输入为负。

先看蓝色的总线电压波形，从0x83到END之间是一帧正常波形，注意看帧头有多级台阶，帧尾ACK位置也特别高，这是正常的，可以理解当多个节点同时驱动总线就会导致60Ω终端电阻上的分压高于2V。从这些台阶来看，可以判断出网络上至少有5个节点。为啥？先看报文中部的幅度，这肯定是只有一个节点抢占总线之后的波形，往前有两级台阶，可以认为A、B、C三个节点同时抢占总线出现了第一个高台，然后节点C优先级仲裁失败退出总线，A、B节点继续抢占出现了第二个台阶，之后节点A成功抢占到了总线优先级，发送中间的数据。最后的ACK位比3节点驱动的第一个bit更高，说明至少有4个节点在驱动ACK，再加上节点A，网络上至少有5个节点。

再看紫色的电流波形，已知节点A自己有终端电阻，外边有另一颗终端电阻。波形中部的数据区肯定是节点A在驱动总线，差分电压流经外边的终端电阻形成回路，所以我们在节点A的引脚上观察到了输出的正向电流；往前一个电压台阶的位置，电流为0，是A、B两个带终端电阻的节点在驱动总线，所以总线电压拉开了但电流仍是无进无出的；再往前一个台阶，A、B、C三个节点驱动，节点C的电流流入A、B的终端电阻，所以在节点A的引脚上测到了输入的负向电流；然后帧尾的ACK位置，至少有4个节点同时驱动，流入终端电阻A和B的负向电流更大了。

错误帧实战

这是一个两节点网络，一个节点发，另一个节点收，两方都有终端电阻，发送节点用的是TJA1042，接收节点用的是单3.3V收发器MAX3051。在帧头就发生了错误，这种错误帧一般源于时钟偏差或采样点过小。

我们将示波器的差分探头和电流探头挂在接收端，下图黄色为H-L的差分电压，蓝色为接收节点的输出电流，RX为收发器将H-L差分电压转换出的逻辑波形，MCU内部的CAN控制器会根据RX的0/1来解读总线。TX为接收节点的发送逻辑，MCU将TX拉低的时候收发器会往总线上驱动显性。

我们已知500kbps的每个bit宽2us，注意上图紫线TX在2~4箭头之间出现了连续2us*6=12us的显性0，说明我们挂示波器的这个接收节点在此刻往外输出了一个“主动错误标志”，那一定是接收节点在此之前认为总线出现了错误。我们来往前看，箭头1~2之间总线差分电压和RX逻辑侧都只有10us/2us=5bit的显性0，帧前边都是长隐性1，这能有什么错？个可能是我们碰到了传说中的过载帧，这个东西本应该很少见了；另一个可能是接收节点把对方来的正确报文认成了错的，这10us被接收节点认成了6bit，错误的采样点+硬同步（帧头对齐）做得稀烂的国产MCU更容易出现这样的帧头报错。

我们推演一下看看是否符合我们的理论，在箭头2~3之间发送节点应该是想发送一个隐性，但这时接收节点已经觉得不对开始发“主动错误标志”，将总线拉成了显性。然后发送节点读到这一bit自己想发送隐性但总线是显性，所以。。。仲裁区抢优先级失败退出总线，，，怎么可能，之前有6个连续显性呢，所以发送节点因违反“逢五补一”在箭头3~5也输出“主动错误标志”。所以就成了黄色总线波形的7个bit的“凸”型，中间的凸台的位置总线被两个节点驱动，电压高起一个台阶。

再注意一个细节，凸台的左肩膀和右肩膀高度不一样，左肩膀是接收节点MAX3051驱动的电平，它比右肩膀TJA1042的驱动能力弱一些，总线电平低一点。这个特性可以用来区分总线上的不同设备。

蓝色线，是接收节点的输出电流。箭头1~2之间的负向电流为发送节点驱动总线，差分电压流经接收节点内部的终端电阻带来的负电流；箭头2~3之间的正电流是接收节点驱动的主动错误的第一个bit；后边3~4的凸台两个节点都在驱动显性但对应的电流也是负的，这是因为发送节点的驱动能力强过接收节点，整个网络电流还是由发送节点灌入接收节点；再往后4~5的负电流是发送端驱动接收节点的终端电阻的电流。

下图我标出了两个节点的输出bit流，红框是“主动错误标志”。

仍然是这个两节点网络，仍然是这个稀烂的国产MCU，我们来看这个错误帧是怎么个情况：

这一帧的DLC=0x01，也就是只有1byte数据，数据区之后就是CRC区，我们的“主动错误标志”就发生在这个区，观察又没有填充错误，那就是我们挂示波器这个接收节点认为发送节点出现了CRC错误。但我们看到黄线在“主动错误标志”中间出现了凹坑，意味着发送节点还是想继续发隐性，并不认为自己有错，直到发现这一位被“主动错误标志”覆盖为显性才感知到位错误后抛弃后续报文。

原因最后定位到：过小的采样点+过大的再同步补偿宽度SJW 让时钟误差逐步积累，这颗国产MCU的重同步又做得稀烂，把正常报文错读了一位导致算CRC错误。最后通过调整采样点和SJW宽度减少了这种错误的出现频次，得到正常波形如下：

我们再试着从差分波形来分析一个错误帧：

错误发生在CRC区，我们放大一下，看看各节点都发生了啥：

从每一个台阶的下降沿往前画12us的方框，得到每个节点输出的“主动错误标志”如上图，分析可知：这是一帧节点B发送的报文，节点A认为它的CRC算错了，节点C凑了个热闹，三者一起形成了这个12bits长的“主动错误标志”。那，节点A为什么会认为CRC有错呢？大概率是因为之前的数据读错了一位。这么好的波形也能读错？是的，我们无法判断节点A所在的位置波形有多差，可能分支上没有终端电阻振铃很大呢？我们只能相信节点A不会乱搞。另外，采样点偏差会导致节点对噪声额外地敏感。

CAN-FD错误排查

来看一个A B C三节点CAN-FD错误帧的案例，节点C发，节点A、B收：黄色是H-L的差分电压，绿色是节点B的逻辑TX。0x0677和0x0176是两个错误帧。FD区波特率设置为2Mbps。

放大0x0176帧的细节：

标尺A B之间时间长度约0.8us，由一个2Mbps FD bit的0.5us + 一个CAN-FD的TDC(300ns)组成。
之后出现了6个FD bit(0.5us*6=3000ns)的连续显性位，电平高度与之前相同，之后有连续2us*6=12us的显性。
在标尺B线后12us位置出现了一个电压跌落的小小的下降台阶，见下下图。

综上三条，认为节点C所在位置干扰过大/分支线路过长，节点C自己回读↓下图↓框出的bit位失败，自己往总线上输出“主动错误标志”（连续6bit=2us*6=12us的显性），其他设备在接收到第6个CAN-FD的bit=0.5us*6=3us的时候就读到了错误（违反FD速率的“逢五补一”规则），也往总线上叠加2us*6=12us的主动错误标志。然后，12us时节点C的主动错误标志先结束，其他节点的主动错误在2us*6+0.5us*6=15us后结束。至此，错误帧形态完成。

“逢五补一”这条规则是跟随波特率变化的，6个连续的高波特率0或1都会触发填充错误。但填充错误之后输出的“主动错误标志”是500kbps波特率的6bit，固定长度12us。

再来一个案例：CAN-FD采样点设置出错导致节点B把节点A发送的CAN-FD报文当CAN来解析出错。

黄色CAN_H，绿色CAN_L，蓝色L-H反向差分电压，紫线为节点B逻辑RX，青线为节点B逻辑TX。

注意看0x00前后的数据段，这一段是CAN-FD的2Mbps速率，节点B因为采样点设置错误读错了BRS这一波特率转换标志，仍按照标准的500kbps去解析节点A的2Mbps速率的数据，对RX信号2us一个采样我用黄色箭头标出来了，可以看到这恰好是6个连续显性0，违反“逢五补一”的规则，故而接收节点B在箭头2~4之间发“主动错误标志”，打断总线通信，告知发送节点你发错了。箭头2~3之间，发送节点A恰好也要发显性，所以节点A此时还没感觉到不对。箭头3之后，节点A想要拉隐性，电压出现一个坑，却发现总线还是显性，此时节点A判断出现了“位错误”，开始输出“主动错误标志”，想告知接收方放弃我这一帧报文。箭头4的位置节点B释放“主动错误标志”，箭头5的位置节点A释放“主动错误标志”。

如果数据比较巧，恰好能满足逢五补一的规则，那这种错误形态会在发送很多数据之后才会出现，但最晚也会被CRC拦截：

补充知识：CAN-FD网络各个节点的采样点必须完全相同，高速率导致对时序敏感很多，这一点与CAN网络容许一个范围显著不同。上边这一帧的BRS位怎么读错的呢？再一次违反直觉：CAN-FD的采样点影响发送节点的驱动波形！用示波器可以轻松量出FD的采样点位置。

看下图，CAN-FD报文的控制段中的BRS位（Bit Rate Switch）明显是短于前边的FDF、R0位的，采样点不匹配的话很容易读错。因为-FD的速率翻转是在这一bit的采样点位置发生的。比如采样点80%的2Mbps CAN-FD网络，BRS这一位的宽度为2us*80%+0.5us*20%=1.7us，而不是2us。接收节点的采样点如果设置大于85%就会错过整个BRS位（2us*85%=1.7us），从而导致如上的BRS位读错的问题。