第4章位时序与采样点 — CAN 总线 / 汽车电子

关键概念

时间量子 (Time Quantum, Tq)

CAN 位时序的最小时间单位，由 CAN 时钟经预分频器（Prescaler）分频得到：Tq = (BRP+1) / f_CAN。一个完整的位时间由若干个整数个 Tq 拼成。所有时序段（同步段、传播段、相位段）都以 Tq 为砖块搭建，因此调整 Tq 和各段的 Tq 数就能配置任意波特率。

位时间 (Bit Time)

传输一个位所占的总时间，等于所有时序段 Tq 之和：位时间 = SYNC_SEG + PROP_SEG + PHASE_SEG1 + PHASE_SEG2。波特率是它的倒数：波特率 = 1 / 位时间。例如 2μs 的位时间对应 500kbps。全网所有节点必须配置成相同的波特率（位时间可由不同 Tq 组合，但总时长一致）。

同步段 (SYNC_SEG)

位时间的第一段，固定为 1 个 Tq。预期总线电平跳变（边沿）应发生在此段内。硬同步和再同步都以此段为基准对齐——如果边沿正好落在同步段，说明本节点时钟与总线完美同步，无需调整。

传播段 (PROP_SEG)

用于补偿信号在总线上的物理传播延迟以及收发器、控制器的延迟。它必须足够长，以保证一个节点发出的电平能在采样前传遍全网并被回读（这是仲裁与错误检测正确工作的前提）。长度 1~8 个 Tq，随总线长度增加而加长。

相位段 1 / 2 (PHASE_SEG1 / PHASE_SEG2)

位于采样点两侧的缓冲段，用于吸收时钟误差。再同步时会拉长 PHASE_SEG1 或缩短 PHASE_SEG2 来微调采样时刻。采样点就位于 PHASE_SEG1 结束、PHASE_SEG2 开始的交界处。在 STM32 bxCAN 中，PROP_SEG 与 PHASE_SEG1 合并称为 BS1，PHASE_SEG2 称为 BS2。

采样点 (Sample Point)

在一个位时间内，CAN 控制器读取总线电平以判定该位是 0 还是 1 的时刻，用相对于位时间起点的百分比表示：采样点% = (SYNC+PROP+PHASE1) / 位时间。推荐值 75%~87.5%——靠后采样能等信号在长总线上稳定，但要留出 PHASE_SEG2 应对下一边沿。ISO 11898-2 常用 87.5%。全网采样点应尽量一致。

SJW (Synchronization Jump Width, 重同步跳转宽度)

再同步时允许调整 PHASE_SEG 的最大 Tq 数（1~4）。当边沿未落在同步段（说明本节点时钟偏快或偏慢），控制器最多拉长 PHASE_SEG1 或缩短 PHASE_SEG2 SJW 个 Tq 来追赶。SJW 越大容错越强，但过大会牺牲时序裕量。约束：SJW ≤ min(PHASE_SEG1, PHASE_SEG2) 且 SJW ≤ 4。

硬同步与再同步 (Hard-Sync / Re-Sync)

硬同步：仅在帧起始 SOF 的隐→显下降沿发生，强制把位时间计数器归零，全网对齐一次。再同步：帧传输过程中每遇到一个隐→显跳变（在非同步段），就用 SJW 微调相位段，持续跟踪发送方时钟。位填充保证了位流里总有足够的跳变供再同步使用，二者协同让无独立时钟线的 CAN 保持全网位对齐。

一个位的四段结构

把一个位时间放大来看，它由四段拼成，采样点落在 PHASE_SEG1 与 PHASE_SEG2 之间。

一个 CAN 位的时序结构（以 Tq 为单位） ═══════════════════════════════════════════════════════════ ┌────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┐ │SYNC│ PROP_SEG │ PHASE_SEG1 │ PHASE_SEG2 │ │ 1Tq│ 1~8 Tq │ 1~8 Tq │ 1~8 Tq │ └────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┘ ↑边沿 ↑ 应落在此采样点(Sample Point) (硬/再同步基准) 在此读电平判 0/1 STM32 bxCAN 的合并视角: ┌────┬─────────────────────────────┬──────────────┐ │SYNC│ BS1 = PROP+PHASE1 │ BS2=PHASE2 │ │ 1Tq│ (1~16 Tq) │ (1~8 Tq) │ └────┴─────────────────────────────┴──────────────┘ ↑ 采样点位时间 = (1 + BS1 + BS2) 个 Tq 采样点% = (1 + BS1) / (1 + BS1 + BS2) × 100%

波特率是怎么算出来的

波特率由三个量决定：CAN 外设时钟频率、预分频器 BRP、以及每个位的 Tq 总数。公式如下：

波特率计算链 f_CAN (外设时钟, 如 APB1 = 42MHz) │ ÷ (BRP+1) 预分频 ▼ f_Tq = f_CAN / (BRP+1) ← 一个 Tq 的频率 │ │ Tq_total = 1(SYNC) + BS1 + BS2 ▼ 位时间 = Tq_total × (1 / f_Tq) = Tq_total × (BRP+1) / f_CAN 波特率 = 1 / 位时间 = f_CAN ───────────────────────── (BRP+1) × (1 + BS1 + BS2)

实战计算：500kbps @ 42MHz APB1

STM32F407 的 bxCAN 挂在 APB1，时钟为 42MHz。目标波特率 500kbps，采样点约 87.5%。逐步求解：

目标: 500kbps, f_CAN = 42MHz, 采样点 ≈ 87.5% ① 选每位的 Tq 总数令 Tq_total = 7 （常见取 7~16 之间） ② 求预分频 BRP 波特率 = f_CAN / ((BRP+1) × Tq_total) 500000 = 42_000_000 / ((BRP+1) × 7) (BRP+1) × 7 = 84 BRP+1 = 12 ⇒ BRP = 11 ③ 分配 BS1 / BS2 使采样点≈87.5% Tq_total = 1(SYNC) + BS1 + BS2 = 7 采样点 = (1+BS1)/7 ≈ 87.5% ⇒ 1+BS1 ≈ 6.125 取 BS1 = 5, BS2 = 1 ⇒ 采样点 = (1+5)/7 = 85.7% ✓ ④ 验算波特率 42_000_000 / (12 × 7) = 42_000_000 / 84 = 500000 = 500kbps ✓ ⑤ 选 SJW SJW ≤ min(BS1,BS2)=1 ⇒ 取 SJW = 1 结论: BRP=11(Prescaler=12), BS1=5, BS2=1, SJW=1

/* STM32 HAL CAN 位时序配置：500kbps @ 42MHz APB1 */
CAN_HandleTypeDef hcan;

hcan.Instance = CAN1;
hcan.Init.Prescaler   = 12;               /* BRP+1 = 12 */
hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;    /* SJW = 1 Tq */
hcan.Init.TimeSeg1    = CAN_BS1_5TQ;     /* BS1 = 5 Tq (含PROP+PHASE1) */
hcan.Init.TimeSeg2    = CAN_BS2_1TQ;     /* BS2 = 1 Tq (PHASE2) */
/* 位时间 = 1+5+1 = 7 Tq；波特率 = 42e6/(12*7) = 500kbps
   采样点 = (1+5)/7 = 85.7% */

hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK) {
    /* 初始化失败 */
}

采样点为何常取 87.5%

采样点靠后（如 87.5%）给信号更多时间在长总线上稳定并让全网都收到，提高长距离与多节点时的鲁棒性；但不能太靠后，否则 PHASE_SEG2 太短、再同步（缩短 PHASE_SEG2）的余量不足。CANopen/汽车领域约定俗成用 87.5%，能兼容大多数节点。同一网络中所有节点的采样点应尽量一致，否则在临界时序下容易偶发误码。

波特率配错的典型症状

若某节点波特率与总线不符，最常见现象是：该节点无法应答（不产生 ACK），导致发送方反复重发、错误计数器飙升，甚至进入总线关闭；而其它节点之间通信正常。排查时用示波器测一个位的实际时长换算波特率，或用 CAN 分析仪的"自动波特率检测"。另一个隐患是采样点差异过大：波特率对了但采样点相差悬殊，会在总线较长或负载重时偶发误帧。

再同步：无时钟线如何保持对齐

再同步：用 SJW 微调相位段追赶发送方情况A: 边沿落在 SYNC 段 ⇒ 完美同步，无需调整 ┌SYNC┬─BS1─────┬─BS2──┐ │↑边沿采样↑ │ 情况B: 边沿"迟到"(本节点偏快) ⇒ 拉长 PHASE_SEG1(≤SJW) ┌SYNC┬─BS1+Δ───┬─BS2──┐ 延后采样，等发送方 (Δ ≤ SJW) 情况C: 边沿"早到"(本节点偏慢) ⇒ 缩短 PHASE_SEG2(≤SJW) ┌SYNC┬─BS1─────┬BS2-Δ┐ 提前进入下一位 (Δ ≤ SJW) 每个隐→显跳变都触发一次再同步(非同步段内) 位填充保证跳变足够密 ⇒ 时钟持续被校准

本章小结

CAN 没有独立时钟线，靠边沿再同步保持全网位对齐。一个位时间由整数个时间量子 Tq拼成，Tq =(BRP+1)/f_CAN。位分四段：SYNC_SEG（固定 1Tq，同步基准）、PROP_SEG（补偿总线传播延迟）、PHASE_SEG1/2（采样点两侧缓冲，可被再同步微调）。采样点=(1+PROP+PHASE1)/位时间，推荐 75%~87.5%，汽车常用 87.5%。波特率 = f_CAN /((BRP+1)×(1+BS1+BS2))。在 STM32 bxCAN 中 PROP+PHASE1 合并为 BS1、PHASE2 为 BS2。以 500kbps@42MHz 为例：Tq_total=7、BRP=11(Prescaler=12)、BS1=5、BS2=1、SJW=1，采样点 85.7%。SJW（1~4）限定再同步时相位段的最大调整量。硬同步只在 SOF 发生并归零计数器，再同步在每个隐→显跳变用 SJW 追踪发送方时钟，位填充保证跳变密度。波特率或采样点配错会导致该节点无法应答、发送方反复重发进而总线关闭。