[驱动开发篇] Can通信进阶 --- CanFD 的三次采样

一、CAN FD的采样次数

在CAN数据通信中，采样次数（sample points/number of samples）通常指的是在位时间（bit time）内，CAN收发器对总线上电平取样的次数，以判断该位的值。两类协议之间的主要差异体现在采样机制和位时序的调整能力上。

1.1. 标准规定

• CAN FD 协议本身并没有强制要求必须支持三次采样。它只是允许三次采样作为一种选项存在于控制器设计中，主要是为了兼容老旧设备或改善某些特殊情况下的噪声容忍度。
• **ISO 11898-1（CAN FD标准）**规定：
  • 必须支持单次采样。
  • 三次采样是可选功能，标准并不要求所有芯片必须支持。

1.2. 传统标准CAN采样

• 采样次数：
  • 标准CAN（ISO 11898-1，也叫Classical CAN）只允许单点采样（single sampling）。
  • 即：在每一个位周期的采样点（sample point），收发器只对总线电平采样一次，用于判断该位是“显性”还是“隐性”。
• 工作机制：
  • 通过**重同步段（Re-Sync Segment）和再同步（Resynchronization）**机制去提升通信稳定性。

1.3. CAN FD的采样策略

1.3.1. 基础采样策略

• 采样次数：

  • CAN FD由两类采样模式决定：
    1. 单点采样（Single Sampling）：同标准CAN一样，在采样点取一次样。
    2. 三点采样（Triple Sampling）：在某些实现（尤其用于抗干扰）或者特定配置下，CAN FD允许配置为三点采样。

• 三点采样的机制（可选项，一般只在仲裁段低速通信才启用）：

  • 在位时内选定的三个时间点各取一次样，然后采用“多数原则”判定该位的最终电平（即有两个以上为某状态则认为该位是该状态）。
  • 在**Data Phase（数据段）**高速部分，通常仍为单点采样，以减少时序复杂度和资源消耗。

• 实现方式：

  • 三点采样在高速阶段一般不用，因为对同步要求更高，只有在某些兼容性或特殊要求下可配置。
  • 当前主流CAN FD控制器大多数只在仲裁段支持三点采样。

传统 CAN/CAN FD 控制器在每个位时间内的特定采样点对总线取样一次。启用三次采样时，控制器会在靠近采样点前后各加一次，再在采样点取一次，也就是：

• S1（采样点之前）
• S2（采样点）
• S3（采样点之后）

最终结果由多数原则决定（即至少两次一致则取该值），用来提升抗干扰能力。

1.4. 配置位置

• 三次采样仅在仲裁段（Arbitration Phase）有效，数据段（Data Phase）通常不支持。
• 配置项通常在控制器的相关寄存器中。

1.5. 常见步骤

1. 进入CAN控制器初始化/休眠/配置模式。
2. 设置三次采样相关的寄存器或位。
3. 配置其他位时序参数（BSP、BRP、SJW、TSEG1、TSEG2等）。
4. 退出配置模式，进入正常运行。

二、CAN FD与标准CAN在采样机制上的主要区别

1. 采样次数的灵活性：

   • 标准CAN：通常只能选择单点采样。
   • CAN FD：可支持三点采样，但通常只有在仲裁段（Arbitration Phase）低速模式、需要兼容老模块时才用。

2. 应用目的：

   • 标准CAN：主要考虑可靠性和简单性，不追求高速率。
   • CAN FD：在数据段（Data Phase）允许更高的速率，因此采样机制也会做对应调整（如通常保持单点采样，但有三点可选）。

3. 为什么有三点采样？

   • 三点采样在噪声较大、信号完整性较差场合（尤其长线、旧线束、物理层匹配不好时）可以提升抗干扰能力。
   • 但在高速数据传输（CAN FD数据段），三点采样会带来更大的时序复杂度，得不偿失，因此高速阶段通常关闭。

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三、使用建议

• 如果是全新设计，多采用单点采样，除非你遇到实际的信号质量问题或需兼容老旧节点，可以尝试三点采样。
• CAN FD的最大优势体现在“数据段速率提升”而不是采样次数本身，但灵活的采样机制为工程师调试提供了更多选项。

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四. 芯片厂商实现

4.1. 实际市面情况

• 大部分主流CAN FD控制器（如NXP、Microchip、Infineon、TI等）
  • 默认或始终 采用单次采样，尤其是在数据段（Data Phase），几乎都是单采样，以保证高速与精度。
  • 对于仲裁段（Arbitration Phase），部分芯片可通过寄存器配置启用“三次采样”，但并不是所有控制器计数器提供。
  • 有的芯片（如Microchip MCP2517FD，NXP S32K，TI TCAN系列等）三次采样仅作为可选项出现，在默认配置和大多数应用中不开启。

4.2. 例子

• Microchip MCP2517FD：支持三次采样，但需通过配置寄存器显式打开；且只对仲裁段有效，不支持数据段三次采样。
• Infineon XMC4000 系列：三次采样支持受限，也只用于兼容特殊要求。
• NXP S32K 系列：文档明确指出仅在仲裁段、低速情况下可用。
• 部分国产以及老旧CAN控制器：干脆不实现三次采样功能。

① Microchip MCP2517FD

• 三次采样开关寄存器位为SAM，位于寄存器CxNBTCFG（Nominal Bit Time Configuration）。
• 这个位只作用于仲裁时段（Nominal Bit Time）。

// 伪代码示例（以MCP2517FD为例）
// 假定NBTCFG寄存器已定义，位0(SAM)为三次采样使能
CxNBTCFGbits.SAM = 1;      // 启用三采
// 其他时序参数配置同CAN基本位时序

② NXP S32K CAN FD

• 三次采样由寄存器FDCTRL[SAMP]控制。
• SAMP = 1 时为三次采样，SAMP = 0 为单次采样。

CAN->FDCTRL |= CAN_FDCTRL_SAMP_MASK;   // 启用三采（SAMP=1）

③ Infineon XMC4000 CAN FD

• 在Node Control Register（NPCR）的SUSEN（SAM）位控制；
• 只有仲裁段有效，数据段不支持。

XMC_CAN_NODE->NCR |= XMC_CAN_NCR_SAM_Msk;  // 启用三采

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五、总结对比表

	标准CAN	CAN FD
采样次数	单点采样	默认单点采样，仲裁段可选三点采样
速率	最高1Mbps（典型）	仲裁段1Mbps，数据段最高8Mbps+
异常处理	冗余（重同步机制）	更灵活且可配置采样机制
推荐配置	通用单点	默认单点，特殊需求下三点采样

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Q：三次采样（Triple Sampling）是否被所有支持CAN FD帧的芯片普遍支持？

三次采样并不是所有支持CAN FD帧的芯片的“标配”功能。它通常只在一些控制器或在仲裁段作为可选项支持。现实应用中，CAN FD 的高速数据段普遍采用单点采样。

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