CAN 技术系列 03 · CAN 位定时与同步

📚 CAN总线技术系列 · 持续更新中

本系列从差分电气层一路打到 Linux SocketCAN,把"两根线"背后的电气/协议/控制器/驱动/实战全拧成一根线。

👉 想系统追更，戳这里查看完整专栏：

【CAN 技术系列】

👉 其他技术系列专栏，欢迎关注、交流、共同成长：

【SPI 技术系列】【I2C 技术系列】【串口技术系列】【RISC-V 架构系列】【Linux内核系列】【操作系统设计思想系列】【 Android 系统全景专栏】

03 · CAN 位定时与同步

本篇定位 :CAN 物理层和拓扑讲完,本篇讲位定时------CAN 的灵魂。CAN 是同步总线(位填充维持跳变),但没有共享时钟线 (不像 SPI/I2C),靠硬同步 + 重同步对齐。采样点、SJW、时钟容差配错,全网通信失败。本篇讲位时间组成、采样点、同步机制、BTR 寄存器配置。读完你能配任何 CAN 控制器的位定时。
位定时是 CAN 配错必死项

UART 异步,波特率配对就行。SPI/I2C 有共享时钟,主控速度。CAN 没有共享时钟,所有节点靠位定时参数各自同步,采样点/SJW/时钟容差必须全网一致 + 满足约束。配错一个节点,全网通信失败。这是 CAN 调试第二大坑(终端电阻第一)。做 CAN 网络,位定时必须算清。

[03 · CAN 位定时与同步](#03 · CAN 位定时与同步)
一、位时间组成
- [1.1 位时间分段](#1.1 位时间分段)
- [1.2 总位时间](#1.2 总位时间)
- [1.3 Tq 计算](#1.3 Tq 计算)
二、采样点
- [2.1 采样点定义](#2.1 采样点定义)
- [2.2 采样点推荐](#2.2 采样点推荐)
- [2.3 采样点为何要靠后](#2.3 采样点为何要靠后)
- [2.4 多采样(可选)](#2.4 多采样(可选))
三、同步机制
- [3.1 为什么需要同步](#3.1 为什么需要同步)
- [3.2 硬同步(Hard Sync)](#3.2 硬同步(Hard Sync))
- [3.3 重同步(Resync)](#3.3 重同步(Resync))
- [3.4 同步规则](#3.4 同步规则)
- [3.5 同步的物理意义](#3.5 同步的物理意义)
四、SJW(同步跳转宽度)
- [4.1 SJW 定义](#4.1 SJW 定义)
- [4.2 SJW 工作原理](#4.2 SJW 工作原理)
- [4.3 SJW 选择](#4.3 SJW 选择)
- [4.4 SJW 与时钟容差](#4.4 SJW 与时钟容差)
五、时钟容差
- [5.1 时钟容差来源](#5.1 时钟容差来源)
- [5.2 时钟容差约束](#5.2 时钟容差约束)
- [5.3 典型容差](#5.3 典型容差)
- [5.4 选晶振](#5.4 选晶振)
[六、BTR 寄存器配置](#六、BTR 寄存器配置)
- [6.1 STM32 bxCAN BTR](#6.1 STM32 bxCAN BTR)
- [6.2 配置示例:1Mbit/s, SP 87.5%, f_CAN=42MHz](#6.2 配置示例:1Mbit/s, SP 87.5%, f_CAN=42MHz)
- [6.3 配置口诀](#6.3 配置口诀)
- [6.4 DesignWare/M_CAN 位定时](#6.4 DesignWare/M_CAN 位定时)
[七、CAN FD 位定时](#七、CAN FD 位定时)
- [7.1 两套位定时](#7.1 两套位定时)
- [7.2 NBTP(标称位定时)](#7.2 NBTP(标称位定时))
- [7.3 DBTP(数据位定时)](#7.3 DBTP(数据位定时))
- [7.4 FD 位定时约束](#7.4 FD 位定时约束)
- [7.5 FD 配置示例](#7.5 FD 配置示例)
[八、关键问题 Q&A](#八、关键问题 Q&A)
- [Q1:采样点 87.5% 怎么算?](#Q1:采样点 87.5% 怎么算?)
- [Q2:CAN 没有共享时钟,怎么同步?](#Q2:CAN 没有共享时钟,怎么同步?)
- [Q3:SJW 配多大?](#Q3:SJW 配多大?)
- Q4:时钟容差怎么满足?
- Q5:位定时配错会怎样?
- [Q6:CAN FD 数据段位定时怎么配?](#Q6:CAN FD 数据段位定时怎么配?)
九、实战案例
- [案例 1:采样点不一致,通信失败](#案例 1:采样点不一致,通信失败)
- [案例 2:时钟偏差大,偶发错](#案例 2:时钟偏差大,偶发错)
- [案例 3:SJW 太小,长帧错](#案例 3:SJW 太小,长帧错)
- [案例 4:采样点太前,长总线错](#案例 4:采样点太前,长总线错)
- [案例 5:CAN FD 数据段 CRC 错](#案例 5:CAN FD 数据段 CRC 错)
- [案例 6:晶振温漂,低温通信失败](#案例 6:晶振温漂,低温通信失败)
- [案例 7:BRP 算错,波特率不对](#案例 7:BRP 算错,波特率不对)
- [案例 8:多节点位定时不一致](#案例 8:多节点位定时不一致)
十、本篇小结与速查
- 核心要点
- 位定时速查(f_CAN=48MHz)
- [BTR 配置步骤](#BTR 配置步骤)
- [CAN FD 双位定时](#CAN FD 双位定时)
- 检查清单
- 延伸阅读
- 参考资料

一、位时间组成

1.1 位时间分段

CAN 一个位时间(Time Quantum, Tq)分四段:

复制代码

┌──────────┬─────────────────┬──────────────┐
│ SYNC_SEG │   TSEG1(PTS+    │   TSEG2      │
│ (同步段) │   PBS1)         │   (PBS2)     │
│ 1 Tq     │   1~16 Tq       │   1~8 Tq     │
└──────────┴─────────────────┴──────────────┘
           ↑采样点(SP)

段	含义	Tq 数
SYNC_SEG	同步段(跳变应在此时)	1
TSEG1	时间段1(传播 + 相位缓冲1)	1~16
TSEG2	时间段2(相位缓冲2)	1~8

SYNC_SEG:期望信号跳变发生在这(1 Tq)
TSEG1:采样前的时间(含传播延迟 + 相位调整)
TSEG2:采样后的时间(相位调整)
采样点在 TSEG1/TSEG2 交界

1.2 总位时间

复制代码

位时间 = SYNC_SEG + TSEG1 + TSEG2 = (1 + TSEG1 + TSEG2) Tq

典型位时间:16~25 Tq(采样点 75~87.5%)
Tq = CAN 时钟 / 分频

1.3 Tq 计算

复制代码

Tq = 1 / (f_CAN / BRP) = BRP / f_CAN

f_CAN:CAN 控制器输入时钟(如 40MHz)
BRP:波特率预分频(BTR 寄存器配)

二、采样点

2.1 采样点定义

采样点(Sample Point, SP)= 在位时间内的位置(百分比):

复制代码

SP = (1 + TSEG1) / (1 + TSEG1 + TSEG2) × 100%

采样点在 TSEG1 末尾(TSEG2 开始)
采样点越后,留给传播延迟的时间越多

2.2 采样点推荐

标准/协议	推荐采样点
CAN 2.0	75~87.5%
CANopen	87.5%
DeviceNet	87.5%
J1939	87.5%(高速)/ 85%(低速)
ARINC 825	75~80%

87.5% 是主流(CANopen/J1939/DeviceNet)
例:16 Tq 位时间,SP 87.5% → TSEG1=13, TSEG2=2

2.3 采样点为何要靠后

传播延迟(信号从一节点到另一节点往返)占位时间一部分
采样点靠后,留够传播延迟时间
高速 + 长总线,采样点更要靠后(87.5%)

2.4 多采样(可选)

部分控制器支持 3 采样(采 TSEG1 末 + 前两 Tq,多数表决)
抗扰更好,但减少传播延迟裕量
一般不用(单采样够)

三、同步机制

3.1 为什么需要同步

CAN 没有共享时钟(不像 SPI/I2C)
各节点时钟独立(晶振),有偏差
靠信号跳变(位填充保证跳变密度)同步

3.2 硬同步(Hard Sync)

**帧起始(SOF)**时,所有节点收到跳变,重置位定时到 SYNC_SEG
每帧开始同步一次
SOF 是显性位(从隐性跳显性),所有节点看到

隐性 ──↓ SOF(显性)── 所有节点硬同步,位定时归 SYNC_SEG

3.3 重同步(Resync)

帧中间,信号跳变(位填充保证)用来微调相位
跳变比期望早或晚 → 调整 TSEG1 或 TSEG2 长度

期望跳变在 SYNC_SEG:
跳变早(TSEG1 还没到)→ TSEG1 延长(最多 SJW)
跳变晚(TSEG1 过了)→ TSEG2 缩短(最多 SJW)

3.4 同步规则

只有隐性→显性跳变触发重同步(显性→隐性不触发)
位填充保证最多 5 位有跳变(足够同步)
SOF 硬同步 + 帧中重同步 = 全程同步

3.5 同步的物理意义

抵消节点间时钟偏差(晶振不完全一致)
抵消传播延迟(信号到达各节点时刻不同)
保证采样点对齐(各节点同时采样)

四、SJW(同步跳转宽度)

4.1 SJW 定义

重同步时,TSEG1/TSEG2 可调整的最大量
SJW = 1~4 Tq
太小:无法补偿时钟偏差
太大:过度调整,振荡

4.2 SJW 工作原理

复制代码

跳变比期望早 3 Tq,SJW=2:
  → TSEG1 只能延长 2 Tq(SJW 限制),剩余 1 Tq 误差累积
跳变比期望晚 1 Tq,SJW=2:
  → TSEG2 缩短 1 Tq(在 SJW 内),完全补偿

4.3 SJW 选择

SJW = min(TSEG1, TSEG2, 4) 通常
经验:SJW = TSEG2 / 2 或固定 1~2 Tq
时钟偏差大,SJW 适当大;但不超过 TSEG2

4.4 SJW 与时钟容差

SJW 决定能补偿的最大时钟偏差
时钟偏差 > SJW 能补偿 → 同步失败,通信错

五、时钟容差

5.1 时钟容差来源

晶振初始偏差(±50ppm)
温度漂移(±50ppm)
老化(±50ppm)
总计:可达 ±100~200ppm(差晶振),好晶振 ±20~50ppm

5.2 时钟容差约束

CAN 协议规定时钟容差上限:

复制代码

df < min(
  SJW / (20 × NBT),          // 重同步能力
  (1 - SP) / (2 × (13 + SP)), // 13 位累积偏差(填充前)
  SP / (2 × (14 - SP))        // 14 位累积偏差(填充后)
)

NBT:位时间 Tq 数(1+TSEG1+TSEG2)
SP:采样点(小数,如 0.875)
三者取最小,就是允许的时钟容差

5.3 典型容差

配置	容差
1M, 16Tq, SP87.5%, SJW=2	0.5%(5000ppm)
500k, 16Tq, SP87.5%, SJW=2	0.5%
125k, 16Tq, SP87.5%, SJW=2	0.5%

一般配置容差 0.1_0.5%(10005000ppm)
普通晶振(±50ppm)远满足
容差太严(SJW 小/位时间短)要选好晶振

5.4 选晶振

普通 CAN:±50ppm 晶振够
高速短位时间(1M, 8Tq):选 ±20ppm 晶振
严禁 RC 振荡器(偏差 1%+)

六、BTR 寄存器配置

6.1 STM32 bxCAN BTR

复制代码

CAN_BTR:
bit 25-24 SJW[1:0]:  同步跳转宽度(0~3,值+1)
bit 22-16 TS2[6:0]:  TSEG2(0~7,值+1)
bit 15-0  TS1[3:0]:  TSEG1(0~15,值+1)  (注意位段,实际 TS1 4bit)
bit 9-0   BRP[9:0]:  波特率预分频(0~1023,值+1)

6.2 配置示例:1Mbit/s, SP 87.5%, f_CAN=42MHz

复制代码

位时间 = 42MHz / 1Mbit/s = 42 Tq
但要 TSEG1+TSEG2+1 ≤ 25(STM32 限制),要分频:
BRP = 3, Tq = 3/42MHz = 71.4ns
位时间 Tq 数 = 1Mbit/s 周期 / Tq = 1000ns / 71.4ns ≈ 14 Tq

NBT = 14:
SP 87.5% → TSEG1 = 12, TSEG2 = 1, SYNC=1 → 1+12+1=14 ✓
SP = 13/14 = 92.8%(过高)

重算 NBT=16(更标准):
BRP=2.625(非整数,不行)

换 f_CAN=48MHz:
BRP=3, Tq=62.5ns, NBT=16
SP 87.5% → TSEG1=13, TSEG2=2, 1+13+2=16
SP = 14/16 = 87.5% ✓

BTR = SJW=1(00) | TS2=1(2-1=1) | TS1=12(13-1=12) | BRP=2(3-1=2)

6.3 配置口诀

算 Tq 数:NBT = f_CAN / (BRP × bit_rate)
选 BRP 让 NBT 在 16~25(采样点好调)
按 SP 算 TSEG1/TSEG2:TSEG1 = NBT × SP - 1(取整)
SJW 选 1~2
写 BTR

6.4 DesignWare/M_CAN 位定时

Bosch M_CAN 用 NBTP(标称位定时)/ DBTP(数据位定时 FD)
字段:TSEG1/TSEG2/SJW/BRP,逻辑同 STM32

七、CAN FD 位定时

7.1 两套位定时

CAN FD 仲裁段和数据段速率不同,两套位定时:

段	速率	位定时
仲裁段	1M(兼容)	NBTP(标称)
数据段	5M/8M	DBTP(数据)

7.2 NBTP(标称位定时)

和经典 CAN 一样
仲裁段 + CRC 之前 + ACK 之后
SP 87.5%,1M

7.3 DBTP(数据位定时)

数据段(BRS 后到 CRC 前)用
5M/8M,位时间短
采样点可以不同(通常也 75~87.5%)
TSEG1/TSEG2 数值小(短位时间)

7.4 FD 位定时约束

数据段速率高,传播延迟约束严
5M 位时间 200ns,传播延迟要 < 50ns(约 10m 总线)
8M 位时间 125ns,总线更短
SJW 数据段通常 1~2 Tq

7.5 FD 配置示例

复制代码

仲裁段(NBTP):1M, SP87.5%, f_CAN=80MHz
  BRP=5, NBT=16, TSEG1=13, TSEG2=2, SJW=2

数据段(DBTP):5M, SP80%, f_CAN=80MHz
  BRP=2, NBT=8, TSEG1=5, TSEG2=2, SJW=1
  (5M 位时间 200ns,8 Tq × 25ns)

嵌入式视角:FD 位定时是升级难点

升 CAN FD,位定时要配两套(NBTP + DBTP)。数据段 5M 位时间 200ns,容差极小,总线要短(< 10m),收发器要 FD,采样点要算准。配错数据段 CRC 错。M_CAN,DBTP 寄存器配数据段位定时。

八、关键问题 Q&A

Q1:采样点 87.5% 怎么算?

A :SP = (1 + TSEG1) / (1 + TSEG1 + TSEG2)。NBT=16,SP 87.5%:TSEG1=13, TSEG2=2 → (1+13)/16 = 14/16 = 87.5%。采样点靠后(87.5%)留传播延迟裕量,主流推荐(CANopen/J1939)。

Q2:CAN 没有共享时钟,怎么同步?

A :硬同步 + 重同步。① 硬同步:每帧 SOF(隐性→显性跳变),所有节点位定时归 SYNC_SEG。② 重同步:帧中位填充保证跳变,跳变早晚调整 TSEG1/TSEG2(最多 SJW)。两者抵消时钟偏差 + 传播延迟。

Q3:SJW 配多大?

A :1~2 Tq 通常,不超过 TSEG2。SJW = min(TSEG1, TSEG2, 4)。时钟偏差大 SJW 适当大,但太大过度调整振荡。经验:SJW = TSEG2 / 2 或固定 2 Tq。

Q4:时钟容差怎么满足?

A :选好晶振 。CAN 协议容差通常 0.1_0.5%(10005000ppm),普通晶振 ±50ppm 远满足。严禁 RC 振荡器(偏差 1%+)。高速短位时间(1M,8Tq)容差严,选 ±20ppm 晶振。

Q5:位定时配错会怎样?

A :全网通信失败 (采样错位,误码)。配错的节点发的帧别人采错(可能 ACK 错),收的帧自己采错。位定时必须全网一致 + 满足传播延迟/时钟容差约束。这是 CAN 调试第二大坑(终端电阻第一)。

Q6:CAN FD 数据段位定时怎么配?

A :两套位定时(NBTP 仲裁段 + DBTP 数据段)。数据段 5M,位时间 200ns,NBT 小(8 Tq),SP 75~80%,SJW 1~2。数据段传播延迟约束严(总线 < 10m @ 5M)。配错数据段 CRC 错,仲裁段正常。

九、实战案例

案例 1:采样点不一致,通信失败

现象:两节点 CAN 通信失败,各自单测正常。

分析:节点 A 采样点 75%,节点 B 87.5%,互相采样错位。

解决:统一采样点 87.5%(重配 BTR),通信正常。

案例 2:时钟偏差大,偶发错

现象:某节点用 RC 振荡器(偏差 1%),CAN 偶发错。

分析:RC 偏差 10000ppm,超 CAN 容差(5000ppm),重同步跟不上。

解决:换晶振(±50ppm),通信稳定。

案例 3:SJW 太小,长帧错

现象:8 字节帧正常,长帧(连续多帧)偶发错。

分析:SJW=1 Tq,补偿能力弱,长帧累积偏差超 SJW。

解决:SJW 加到 2 Tq,长帧稳定。

案例 4:采样点太前,长总线错

现象:100m 总线 500k,采样点 75%,偶发错。

分析:采样点 75%,传播延迟裕量小,100m 往返延迟超裕量。

解决:采样点改 87.5%,传播延迟裕量大,稳定。

案例 5:CAN FD 数据段 CRC 错

现象:CAN FD 仲裁段正常,数据段 5M 偶发 CRC 错。

分析:DBTP 配错(采样点 70%),数据段位时间 200ns,采样窗口窄。

解决:DBTP 重配,采样点 80%,TSEG1/TSEG2 重新算,5M 稳定。

案例 6:晶振温漂,低温通信失败

现象:CAN 通信常温正常,-40°C 低温通信失败。

分析:晶振低温漂移到 +100ppm,超容差(配的 SJW 小)。

解决:换宽温晶振(±30ppm 全温),或加大 SJW。

案例 7:BRP 算错,波特率不对

现象:配 500kbit/s,实测 250kbit/s。

分析:BRP 寄存器值 = 实际分频 - 1(STM32),代码写 BRP=4 当成 4 分频,实际 5 分频。

解决:BRP 寄存器写 3(4-1),实际 4 分频,波特率正确。

案例 8:多节点位定时不一致

现象:5 节点 CAN,某节点加入后全网通信失败。

分析:该节点 BTR 配错(TSEG1 差 1),采样点不一致。

解决:所有节点统一 BTR 配置(相同 f_CAN + 相同 BRP/TSEG1/TSEG2/SJW),全网一致。

十、本篇小结与速查

核心要点

位时间 = SYNC_SEG(1 Tq) + TSEG1(1~16) + TSEG2(1~8)
采样点 SP = (1+TSEG1)/(1+TSEG1+TSEG2),主流 87.5%
同步:硬同步(SOF 重置)+ 重同步(帧中跳变调整 TSEG1/TSEG2)
SJW(同步跳转宽度):1~4 Tq,重同步调整量上限,通常 1~2
时钟容差:协议限 0.1~0.5%,选 ±50ppm 晶振(严禁 RC)
BTR 配置:算 NBT → 选 BRP → 按 SP 算 TSEG1/TSEG2 → 选 SJW
CAN FD 两套位定时:NBTP(仲裁段1M)+ DBTP(数据段5M/8M)
位定时必须全网一致 + 满足传播延迟/时钟容差约束

位定时速查(f_CAN=48MHz)

速率	BRP	NBT	TSEG1	TSEG2	SJW	SP
1M	3	16	13	2	2	87.5%
500k	6	16	13	2	2	87.5%
250k	12	16	13	2	2	87.5%
125k	24	16	13	2	2	87.5%
50k	60	16	13	2	2	87.5%

BTR 配置步骤

算 NBT = f_CAN / (BRP × bit_rate),选 BRP 让 NBT=16
TSEG1 = NBT × SP - 1 = 16 × 0.875 - 1 = 13
TSEG2 = NBT - 1 - TSEG1 = 16 - 1 - 13 = 2
SJW = 2(通常)
BTR = (SJW-1)<<24 | (TSEG2-1)<<16 | (TSEG1-1)<<0 | (BRP-1)

CAN FD 双位定时

NBTP(仲裁段):同经典,1M, SP87.5%
DBTP(数据段):5M/8M, NBT小(8), SP75~80%, SJW=1

检查清单

全网位定时一致(BRP/TSEG1/TSEG2/SJW)
采样点 87.5%(主流)
SJW 1~2 Tq
晶振 ±50ppm 以内(禁 RC)
传播延迟满足(总线长度)
FD 两套位定时(NBTP + DBTP)

参考资料

Bosch CAN Specification 2.0(位定时章节)
CiA 301(CANopen 位定时推荐)
STM32 RM0090(CAN BTR 章节)
Bosch M_CAN User Manual(NBTP/DBTP)

CAN 技术系列 00 · 总目录 · 上一篇: $\[02-CAN信号完整性与拓扑$ ] · 下一篇: $\[04-CAN帧格式$ ]

✨ 感谢你的阅读 ✨

技术之路漫漫，分享是为了更好地交流。

如果本文的内容对你有启发，希望能得到你的支持：

👍 点赞 | ⭐ 收藏 | 👀 关注

如果你在调试过程中遇到了其他问题，

欢迎在 评论区 💬 留言，我们一起探讨。

关注我，一起交流底层开发的那些事儿！🚀

CAN 技术系列 03 · CAN 位定时与同步

03 · CAN 位定时与同步

目录

一、位时间组成

1.1 位时间分段

1.2 总位时间

1.3 Tq 计算

二、采样点

2.1 采样点定义

2.2 采样点推荐

2.3 采样点为何要靠后

2.4 多采样(可选)

三、同步机制

3.1 为什么需要同步

3.2 硬同步(Hard Sync)

3.3 重同步(Resync)

3.4 同步规则

3.5 同步的物理意义

四、SJW(同步跳转宽度)

4.1 SJW 定义

4.2 SJW 工作原理

4.3 SJW 选择

4.4 SJW 与时钟容差

五、时钟容差

5.1 时钟容差来源

5.2 时钟容差约束

5.3 典型容差

5.4 选晶振

六、BTR 寄存器配置

6.1 STM32 bxCAN BTR

6.2 配置示例:1Mbit/s, SP 87.5%, f_CAN=42MHz

6.3 配置口诀

6.4 DesignWare/M_CAN 位定时

七、CAN FD 位定时

7.1 两套位定时

7.2 NBTP(标称位定时)

7.3 DBTP(数据位定时)

7.4 FD 位定时约束

7.5 FD 配置示例

八、关键问题 Q&A

Q1:采样点 87.5% 怎么算?

Q2:CAN 没有共享时钟,怎么同步?

Q3:SJW 配多大?

Q4:时钟容差怎么满足?

Q5:位定时配错会怎样?

Q6:CAN FD 数据段位定时怎么配?

九、实战案例

案例 1:采样点不一致,通信失败

案例 2:时钟偏差大,偶发错

案例 3:SJW 太小,长帧错

案例 4:采样点太前,长总线错

案例 5:CAN FD 数据段 CRC 错

案例 6:晶振温漂,低温通信失败

案例 7:BRP 算错,波特率不对

案例 8:多节点位定时不一致

十、本篇小结与速查

核心要点

位定时速查(f_CAN=48MHz)

BTR 配置步骤

CAN FD 双位定时

检查清单

延伸阅读

参考资料