作者 |直观解

出品 | 汽车电子与软件

目 录

一、电平及电压表达

二、显性电平为0及覆盖隐性电平的原因

三、“有效信号优先”通信逻辑的必要性

四、CAN总线优先级配置和仲裁

五、显性/隐性电平与示波器观测

六、信号误读或干扰的常见原因以及排查

七、总结

在汽车电子、工业控制等领域，CAN总线因高可靠性、抗干扰能力强的特点被广泛应用，而其核心通信机制依赖于显隐性电平的精准交互与“有效信号优先”的逻辑设计。

图 闭环CAN总线

图 开环CAN总线

以下从电平本质、人为规则、示波器观测、干扰成因、实操排查及优先级实现六个维度，释疑常见问题，解析CAN电平的核心知识，为工程应用和实际工作提供清晰指引。

一、电平及电压表达

电平就是电压的水平，人为“定义”检测到某个水平就是事先约定的信号，没有任何神秘之处，是电路中用于标识逻辑状态的电信号基准。

CAN总线采用差分电压通信（即通过CAN-H与CAN-L两根信号线的电位差Vdiff）定义逻辑状态，避免了单根线的共模干扰：

• 隐性电平（逻辑1）：CAN-H与CAN-L均维持2.5V的静态电压，差分电压Vdiff=0V，对应总线无有效数据传输的空闲状态；

• 显性电平（逻辑0）：总线被激活时，CAN-H电压被拉至3.5V，CAN-L电压被拉至1.5V，差分电压Vdiff=2.0V，对应节点发送有效数据或控制信号。

这种差分设计的核心优势是：外界干扰会同时影响CAN-H和CAN-L，其电位差始终保持稳定，从而确保信号传输的可靠性。

图 单个 CAN 节点的内部结构与总线电平的对应关系

1. 节点内部结构（左侧）

CPU：负责处理数据，将需要发送的信息传给 “CAN 控制器”，同时接收 CAN 控制器解析后的总线数据；

CAN 控制器：是节点的通信核心，功能是将 CPU 的数字信号（0/1）转换成总线的电平信号，也能将总线的电平信号还原为数字信号传给 CPU；

收发器（蓝色模块）：连接 CAN 控制器与外部总线（CAN_H/CAN_L），负责实现 “电平转换”—— 把 CAN 控制器的数字信号（TxD）转成总线的差分电压，同时把总线的差分电压转成数字信号（RxD）传回 CAN 控制器。

2. 总线电平与数字信号的对应（右侧）

这张图展示的是显性电平（逻辑 0）的状态：

当 CAN 控制器发送 “逻辑 0” 时，收发器会将CAN_H 拉到 3.5V、CAN_L 拉到 1.5V，此时 CAN_H 与 CAN_L 的差分电压是 3.5V - 1.5V = 2V（这是 CAN 总线显性电平的标准差分电压）；

图中红色框标注的 “0”，就是此时 CAN 控制器处理的数字信号（对应显性电平），而旁边的 “1” 则对应隐性电平（空闲时 CAN_H/CAN_L 均为 2.5V，差分电压 0V）。

3. 信号传输方向

发送（TxD）：CPU→CAN 控制器→收发器（TxD）→总线（CAN_H/CAN_L）；

接收（RxD）：总线（CAN_H/CAN_L）→收发器（RxD）→CAN 控制器→CPU。

二、显性电平为0及覆盖隐性电平的原因

1. 显性电平定义为逻辑0的本质

显性电平对应逻辑0是CAN协议的人为规则设定，无物理层面的强制约束，核心目的是建立“有效信号优先”的通信逻辑——显性电平代表节点主动发送数据，需优先占用总线，因此用逻辑0标识以区分空闲状态的逻辑1（隐性电平），可通过“显0隐1”口诀快速记忆。

2. 显性电平覆盖隐性电平的原理

CAN总线的所有节点采用并联连接，且遵循“线与机制”：

• 显性电平属于强驱动信号：节点发送显性电平时，会通过内部驱动电路主动拉抬CAN-H电压、拉低CAN-L电压，形成稳定的2V差分电压；

• 隐性电平属于弱驱动信号：节点发送隐性电平时，仅维持总线的静态2.5V电压，无主动驱动能力。

可以把总线想象成一条公共话筒：

隐性电平 = 所有人都不说话，话筒安静（空闲）。

显性电平 = 任何人一开口说话，话筒立刻有声音。

线与机制 = 只要有一个人说话，整个话筒就是有声音的。

只有所有人都不说话，话筒才安静。

因此，只要总线上有一个节点输出显性电平，一根电线就是一块拉长的金属，只能有一个电压，强驱动信号就会覆盖所有节点的隐性电平，确保总线（就是两根电线）状态统一，避免数据冲突导致的通信混乱。

三、“有效信号优先”通信逻辑的必要性

“有效信号优先”（显性电平优先）是CAN总线解决多节点通信核心矛盾的关键设计，其必要性体现在四个维度：

1. 解决多节点冲突，避免通信瘫痪

CAN总线多节点并联时，多个节点可能同时发送数据（如汽车急加速时发动机ECU与刹车系统的信号交互）。若无该规则，信号叠加会导致差分电压紊乱，接收节点无法解析数据；而“线与机制”能让显性电平自动抢占总线，其他节点检测到显性电平后立即停止发送，待总线空闲后重试，快速化解冲突。

2. 保障关键数据实时性，规避安全风险

汽车制动信号、工业设备紧急停机信号等关键数据，需通过高优先级节点优先发送显性电平，无需等待总线空闲即可“零延迟”传输；低优先级数据（如空调状态、参数上报）即使被打断，也可后续重发，不会影响核心功能。若缺乏该逻辑，关键信号延迟可能引发安全事故。

3. 简化协议与硬件设计，降低成本

该逻辑通过硬件层面的线与机制实现，无需中央控制器协调或复杂的软件仲裁算法：节点直接根据数据优先级发送信号，通过总线电平自动完成仲裁，减少协议开销；硬件仅需实现显隐性电平的强弱驱动，降低了控制器的硬件成本和软件开发难度。

4. 强化抗干扰能力，确保信号完整性

显性电平的2V差分电压远高于隐性电平，即使受到电磁干扰也能维持稳定；若隐性电平（空闲状态）受干扰产生虚假信号，显性电平可直接覆盖，避免接收节点误读。例如汽车行驶中电机、火花塞的干扰，不会影响有效数据的传输。

四、CAN总线优先级配置和仲裁

“有效信号优先”的核心是“高优先级数据优先”，其实现依赖于CAN帧的ID编码与仲裁机制：

1. ID优先级编码规则

CAN总线通过帧ID的二进制位定义优先级，核心原则是ID数值越小，优先级越高（标准帧为11位ID，扩展帧为29位ID）。

编码逻辑：ID的每一位与总线电平对应，显性电平（0）优先级高于隐性电平（1）；

示例：ID=0x001（二进制00000000001）的帧，优先级高于ID=0x002（00000000010）的帧，因为前者在第1位（从右数）为0，后者为1，显性电平优先占据总线。

2. 仲裁过程时序逻辑

多节点同时发送数据时，总线通过“逐位比较”完成仲裁，时序流程如下：

所有发送节点同时开始传输ID的最高位（从左至右）；

每传输一位，节点检测总线电平与自身发送的电平是否一致；

若节点发送隐性电平（1），但检测到总线为显性电平（0），说明存在更高优先级节点发送数据，该节点立即停止发送，转为接收状态；

优先级最高的节点（发送的ID全为显性电平，或未被其他节点覆盖）持续传输完整数据帧，直至传输结束。

3. 仲裁过程举例

节点A（ID=0x001）：0 0 0 … 0 1（第11位）

节点B（ID=0x002）：0 0 0 … 1 0（第11位）

时序：

t1：传输第1位（均为0）→ 总线显性，无冲突；

t2-t9：前9位均为0 → 总线维持显性；

t10：节点A发送0，节点B发送1 → 总线被显性电平覆盖；

t11：节点B检测到总线电平与自身发送的1不一致，停止发送；

t12及以后：节点A继续传输后续数据帧，完成通信。

图 仲裁过程流程图

五、显性/隐性电平与示波器观测

示波器是直观验证CAN电平状态、排查通信故障的核心工具。

图 示波器

它通过观测单端电压和差分电压，可快速判断总线工作状态，具体观测要点如下：

1. 观测准备

硬件连接：使用差分探头分别连接CAN-H、CAN-L与示波器通道1、通道2，若需直接观测差分电压，可通过示波器的“CH1-CH2”数学运算功能生成CAN_DIFF波形；

图 CAN信号波形

参数设置：采样率设为1MHz以上，时基设为10μs/div，电压量程设为5V/div（单端观测）或2V/div（差分观测），确保波形清晰稳定。

2. 关键观测点

隐性电平波形：CAN-H与CAN-L均显示2.5V水平直线，差分电压CAN_DIFF趋于0V，无明显波动；

显性电平波形：CAN-H跳升至3.5V、CAN-L降至1.5V，两者形成对称的电压跳变，差分电压CAN_DIFF显示2.0V左右的峰值，且跳变沿陡峭（无拖尾、抖动）；

仲裁过程观测：多节点通信时，可观测到低优先级节点的波形在仲裁位后中断，高优先级节点的波形持续完整，以此验证优先级配置是否正常。

六、信号误读或干扰的常见原因以及排查

CAN总线虽抗干扰能力强，但在实际应用中仍可能因以下问题导致信号误读，影响通信可靠性：

1. 外部电磁干扰（最常见）

未使用屏蔽双绞线：CAN总线需采用带屏蔽层的双绞线（CAN-G为屏蔽层接地），若使用普通导线或未接地屏蔽层，会受到周围电机、变频器等设备的电磁辐射干扰，导致差分信号失真；

布线不合理：CAN-H/CAN-L与动力线（如12V电源线）并行敷设、距离过近（小于10cm），动力线的电流变化会产生电磁耦合干扰。

2. 电压与线路异常

供电不稳：总线终端电阻（通常为120Ω）损坏、节点电源滤波不良，导致显性/隐性电平的电压差偏离标准范围（如显性Vdiff＜1.5V或＞2.5V）；

CAN总线的终端电阻（通常为120Ω）两端都有，可以理解为信号吸收器，信号到达末端就被电阻吸收，不会反射回去，学术一点说其核心作用是匹配总线特征阻抗、消除信号反射，避免波形失真，同时稳定总线静态电平（隐性时2.5V）以提升抗干扰能力；若终端电阻损坏（如断路），会导致信号在总线两端反射，使CAN_H/CAN_L电压波形出现尖峰、拖尾，差分电压偏离2V标准，引发电平误判，同时隐性电平会出现波动、虚假显性电平，还会缩短通信距离，严重时（如两端终端电阻均损坏）会导致总线无法建立稳定差分电压，造成通信瘫痪。

图 CAN总线电阻

线路故障：CAN-H与CAN-L断路、短路，或接头氧化、接触不良，导致差分信号无法正常生成，示波器显示波形无跳变或杂乱无章。

3. 协议与节点配置问题

优先级配置异常：高优先级数据的ID数值设置过大，导致关键信号无法抢占总线，被低优先级数据覆盖；

波特率不匹配：不同节点的CAN波特率（如250Kbps、500Kbps）不一致，导致接收节点无法正确解析发送节点的电平跳变时序，将逻辑0/1误判。

而对应于以上问题，而常用的排查手段如下：

(1) 基础线路检查（无需示波器）

视觉 inspection：检查CAN-H/CAN-L是否使用屏蔽双绞线，屏蔽层是否接地，线路有无破损、短路，接头是否牢固；

终端电阻测量：关闭总线电源，用万用表测量CAN-H与CAN-L之间的电阻，标准值为120Ω（单终端）或60Ω（双终端，如总线两端各一个），若电阻为无穷大（断路）或0Ω（短路），需修复线路或更换终端电阻；

优先级配置核查：确认所有节点的帧ID编码符合“关键数据ID更小”的规则，避免优先级倒置。

(2) 示波器观测排查

静态电平验证：总线无数据传输时，观测CAN-H、CAN-L电压是否稳定在2.5V，差分电压是否接近0V，若波动过大，检查供电滤波或外部干扰源；

动态信号观测：让某一节点主动发送数据，观测显性电平时的差分电压是否为2V左右，跳变沿是否清晰，若电压偏离或跳变模糊，排查节点驱动电路或线路损耗；

仲裁过程验证：同时启动多个节点，观测高优先级节点的波形是否持续完整，低优先级节点是否在仲裁位后正常中断，若出现异常，核查ID编码或节点驱动能力。

(3) 干扰排除实操

屏蔽与布线优化：若存在外部干扰，将CAN总线与动力线分离敷设（间距≥20cm），确保屏蔽层单端接地（避免双端接地产生地环路）；

接地是为了抑制 EMI（电磁干扰），原理是构建 “干扰屏蔽 + 干扰泄放” 的双重防护，结合 CAN 总线的屏蔽双绞线结构，具体大致有3 点：

屏蔽层接地形成 “法拉第笼”，CAN 总线的屏蔽层接地后，会成为一个闭合的导电回路，如同一个小型法拉第笼，外部电磁辐射（如电机、变频器产生的电磁波）会被屏蔽层阻挡，无法穿透到内部的 CAN-H/CAN-L 信号线，避免差分信号被干扰；

泄放静电与干扰电流，总线传输或环境中产生的静电、电磁感应形成的干扰电流，会通过接地路径快速导入大地，不会在屏蔽层或信号线上累积，避免这些杂波电流叠加到差分信号上，导致电压波形失真；

稳定电位基准，消除共模干扰，接地能统一总线与各节点的电位基准，减少不同节点间的共模电压差，而 CAN 总线的差分通信对共模干扰敏感，稳定的电位基准可让差分电压始终保持标准范围（显性 2V、隐性 0V），避免干扰引发的电平误判。

电源滤波处理：在节点电源输入端添加0.1μF陶瓷电容+10μF电解电容的滤波电路，减少电源纹波对电平信号的影响；

优先级与波特率校准：统一所有节点的CAN波特率，根据业务需求重新配置帧ID（关键数据节点设为更小ID），避免冲突导致的误读。

七、总 结

CAN总线的显隐性电平与“有效信号优先”逻辑是差分通信的核心：通过“显性Vdiff=2V（逻辑0）、隐性Vdiff=0V（逻辑1）”的电压规则，结合线与机制和ID优先级编码，实现了多节点的可靠数据传输。

示波器是观测电平状态、验证仲裁过程的关键工具，而遵循“屏蔽布线、终端匹配、参数统一”的实操原则，能有效减少外部干扰和信号误读。

从汽车发动机控制模块到工业机器人的传感器通信，CAN电平的稳定运行与优先级机制的合理设计，是整个系统可靠工作的基础。掌握其原理、观测方法与排查技巧，对工程开发、故障维修具有重要的实践意义，也是深入理解CAN总线通信机制的核心前提。