示波器波形分析定位CAN总线错误帧与故障源

CAN总线的BusOff状态通常源于错误帧的不断积累。错误帧本身是一个接收节点认为数据有误，从而故意打断通信以使发送节点感知并重发报文的设计。这里存在一个“接收方认为发送方有错”的主观认知环节，使得CAN总线的故障诊断有时颇具挑战性。本文将分享一种方法，通过分析CAN总线波形的幅度、脉宽及电流等多维度信息，来精确定位错误帧的产生根源。

一、CAN节点基础构成

典型的CAN节点由微控制器（MCU）、CAN控制器和CAN收发器（Transceiver）组成。MCU内置CAN控制器，负责将应用数据封装为标准CAN帧格式，同时也进行帧校验和错误处理。控制器处理好的逻辑报文通过TX（发送）和RX（接收）引脚传送至CAN收发器。收发器的核心作用是进行电平转换，将控制器的单端逻辑电平信号转变为在物理总线上传输的差分信号（CANH与CANL），并通过双绞线进行通信。

在物理层，一个典型的双节点CAN网络等效电路包含两个CAN收发器和匹配的终端电阻。总线静默时，收发器内部的电路将CAN-H和CAN-L都拉至约2.5V，这个状态称为“隐性”，对应逻辑电平1。当节点需要驱动总线时（TX=0），它会导通内部电路，在总线上产生一个显著的差分电压（CAN-H升高，CAN-L降低），这个状态称为“显性”，对应逻辑电平0。

这里有几点关键的反直觉知识：

1. 逻辑反相：总线无人驱动（隐性）时，TX/RX逻辑电平为1；总线被驱动（显性）时，对应逻辑电平0。这种设计类似于开集电极逻辑，增强了抗干扰能力，但也要求特别注意MCU与收发器之间的上下电时序，避免出现MCU已断电（TX输出不确定）而收发器仍在工作的状态。
2. 电压容错：理论上，CAN_L短接到地或CAN_H短接到12V，由于终端电阻的分压作用，总线仍可能维持基本通信，但误码率会升高。如果观察到CAN通信电压不以2.5V为中心对称，也可能是多条CAN线缆交叉错接所致。
3. 终端电阻：一个CAN网络中，120Ω终端电阻在1到4颗之间都能工作。数量过少会影响远端节点的抗扰度，过多则可能导致显性差分电压无法达到接收阈值。
4. 分支匹配：对于较长的CAN分支线，可以添加1KΩ至4.7KΩ的支线电阻来改善抗扰度。

二、CAN链路层与帧结构

CAN控制器负责链路层协议。一帧标准CAN报文包含几个关键字段：仲裁段、控制段、数据段、CRC段和ACK段。

• 仲裁段：主要包含报文ID，并实际执行优先级仲裁功能。当两个节点同时开始发送时，它们会逐位比较ID。发送显性位（0）的节点会覆盖发送隐性位（1）的节点，ID值更小（二进制中0优先）的报文赢得总线使用权，失败的节点会自动退出发送并等待重试。这意味着CAN网络是对等的，优先级取决于报文ID本身，而非发送节点。
• 控制段：包含如IDE（标识符扩展）、R0（保留位，在CAN-FD中用作FDF帧格式标志）、DLC（数据长度码）等控制信息。CAN-FD协议仅在数据段切换至更高的波特率（如2Mbps），仲裁段和控制段仍保持基础速率（如500kbps）。
• CRC段：对从帧起始到数据段结束的所有位进行计算校验，确保数据完整性。
• ACK段：这是一个由接收方确认的时隙。发送节点在此位发送隐性位（1），而所有正确接收到该帧（仅校验链路层格式正确）的节点会同时回应一个显性位（0）。因此，ACK位在总线上会呈现出较高的电压，因为多个节点在同时驱动。

三、真实CAN总线波形解析

通过示波器观察实际总线，可以获得丰富的信息。例如，在一个多节点网络中观测到的一帧完整报文波形显示：

• 在报文起始的仲裁阶段，如果波形出现高于单节点驱动时的电压台阶，表明有多个节点在同时竞争总线。
• 在ACK位，电压通常会达到最高，因为此时除了发送节点自身，所有正确接收的节点都在同时驱动显性位。
• 一个节点的逻辑侧TX信号（绿色）在自身为接收方时，通常保持高电平（隐性），仅在需要发送（如竞争总线或回应ACK）时拉低。当它想发送隐性但总线被其他节点驱动为显性时（例如仲裁失败），其TX仍为高，但总线波形为低。

四、错误帧的产生机理与“位填充”规则

错误帧并非由某个节点单独发出，而是由某个接收节点认为总线出错后，故意驱动总线来打断发送方，从而在总线上形成的一个特殊序列。

理解错误帧的关键在于CAN协议的“位填充”规则：逢五补一。即发送节点在发送连续5个相同的显性位（0）或隐性位（1）后，必须自动插入一个相反极性的补位（填充位）。例如，连续5个0后必须插1个1。

如果发送节点违反了此规则（漏插补位），或者补位在传输中被干扰，接收节点就会检测到“位填充错误”。作为响应，该接收节点会立即向总线发送一个“主动错误标志”——连续6个显性位（0）。这个6连0本身也违反了“逢五补一”规则，从而能够被总线上所有节点识别为一个错误信号。

五、通过波形幅度与脉宽定位错误源

当发生错误时，示波器捕捉到的波形包含多维信息：

1. 错误标志的脉宽：主动错误标志是6个连续显性位。在500kbps速率下，1个位宽2us，因此错误标志理论长度为12us。设置示波器触发条件为大于11us的显性脉宽，可以快速捕捉到错误帧，无需依赖复杂的协议解码。

2. 电压台阶分析（升维打击）：

   • 在错误标志持续期间，如果波形出现电压起伏的“台阶”，表明有多个节点在不同时间点开始或结束驱动错误标志。
   • 结合欧姆定律分析：总线上差分电压是驱动电流在并联终端电阻上的压降。驱动节点越多，等效电阻越小，在相同驱动能力下电压越高。因此，电压台阶的高度变化直接反映了同时驱动总线节点数量的变化。
   • 通过分析错误标志内电压台阶的数量、高度和时序，可以反推有哪些节点、在何时参与驱动了错误帧。

3. 驱动能力差异：不同型号或品牌的CAN收发器驱动能力可能有细微差别。在错误波形中，如果某个电压台阶明显低于其他，可能对应着一个驱动能力较弱的节点，这有助于区分不同设备。

六、实战案例分析：CRC错误帧

在一个案例中，错误发生在报文的CRC段。放大后的波形显示，错误标志（连续显性）期间出现了三个明显的电压台阶。

• 第一个台阶：电压最高，推测是节点A（认为CRC错误）和节点B（报文发送方）同时在驱动错误标志。
• 第二个台阶：电压略微下降，可能是节点B停止驱动，仅剩节点A在驱动。
• 第三个台阶：电压再次略微升高并持续，推测节点C也识别到错误（可能由于位填充规则被违反）加入驱动，与节点A共同形成。

通过这种“12us间隔拆分电压台阶”的方法，可以推断出：节点A率先因认为CRC错误而发出主动错误标志，节点B（发送方）随后因回读不一致也发出错误标志，最后节点C加入。故障根源可能在于节点A的采样点设置不佳或所在分支线路过长导致信号质量差，使其误判了CRC。

七、CAN-FD错误排查的特殊性

CAN-FD的错误排查原理相同，但更复杂：

• 速率切换：CAN-FD报文在数据段会切换到更高波特率（如2Mbps）。错误可能发生在高速率段。
• 填充规则跟随速率：“逢五补一”的规则在高速率段同样适用，但判断连续位的宽度以高速率的位时间为准。
• 错误标志速率固定：无论错误发生在哪个速率段，节点输出的“主动错误标志”总是以基础速率（如500kbps）发送，即固定为12us长的6个显性位。

一个典型CAN-FD错误案例：节点C发送FD报文，但在高速数据段受到干扰，自身回读失败。它首先以500kbps发出12us的主动错误标志。节点A和B在高速率段检测到连续6个显性位（违反了高速率的位填充规则），随后也发出500kbps的错误标志。在示波器上，会先看到一段高速率的连续显性（例如3us，对应6个2Mbps的位），紧接着是叠加的、带有电压台阶的12us长错误标志。

八、总结与故障定位流程

利用示波器进行CAN错误帧深度排查，可遵循以下思路：

1. 初步定位：结合通信矩阵（知道ID对应发送节点），逐个拔除非关键节点，同时用示波器观察错误帧是否消失，模糊定位问题节点。
2. 信号观测：如果条件允许，测量疑似问题节点的逻辑电平信号（TX），看其何时拉低（发出错误标志），这能最直观地揭示是哪个节点“认为”总线出错。
3. 电流探测：使用电流探头测量节点CAN_H或CAN_L引脚的电流。输出正电流表示该节点在驱动总线，输入负电流表示其他节点在驱动它。通过观察错误帧期间电流方向，可以清晰定位是谁在主动驱动错误标志。
4. 波形分析：当无法接入逻辑或电流信号时，专注于分析差分电压波形。仔细测量错误标志区域（>11us显性）内的电压台阶数量、高度和布线时序，利用多节点驱动电压升高的原理，拆解错误标志的构成，推断故障源头。
5. 参数校验：检查所有节点的波特率、采样点、同步跳转宽度（SJW）等参数是否一致，尤其是在CAN-FD网络中，参数不匹配是导致错误帧的常见原因。

通过上述多维度的波形分析，工程师可以超越简单的协议解码，深入物理层和链路层交互的细节，从而精准定位导致CAN总线错误帧乃至BusOff的根源，提升网络/系统级运维 & 测试的效率与准确性。

参考资料

[1] 示波器排查CAN错误帧，没几个月消化不了！建议收藏！, 微信公众号：mp.weixin.qq.com/s/bJMHYQYE4lT_E9FulCMQHQ

版权声明：本文由 云栈社区 整理发布，版权归原作者所有。