CAN通信

1. CAN简介

CAN（Controller Area Network）是一种由德国Bosch公司为汽车行业开发的多主机串行通信协议。
其核心优势包括实时性高、抗干扰强、支持多主通信、传输距离远、可靠性高等。

应用领域：

• 汽车电子（发动机、ABS、气囊等）

• 工业自动化

• 电梯、医疗设备、船舶、铁路信号等

2. CAN物理层介绍

2.1 总线拓扑图

CAN总线通常为线性总线结构，所有节点并联在一对双绞线上。
各节点通过CAN_H和CAN_L两根线通信。

总线两端必须并联120Ω终端电阻，以防止信号反射。

2.2 电平标准

• CAN_H空闲为2.5V，主发信时为3.5V

• CAN_L空闲为2.5V，主发信时为1.5V

• 差分信号，抗干扰能力强

• Dominant（显性）：CAN_H > CAN_L，逻辑0

• Recessive（隐性）：CAN_H ≈ CAN_L，逻辑1

2.3 CAN控制器与收发器

• 控制器：实现协议层功能（帧格式、仲裁、校验、滤波、缓冲等）

• 收发器：将控制器TTL信号转换为CAN总线电平

典型硬件结构：

MCU <--> CAN控制器 <--> CAN收发器 <--> 总线(如STM32内部集成)     (如TJA1050)

3. CAN协议层介绍

3.1 CAN帧种类

• 数据帧（Data Frame）：实际传输数据

• 远程帧（Remote Frame）：请求特定节点发送数据

• 错误帧（Error Frame）：报错

• 过载帧（Overload Frame）：节点无法及时处理数据

3.2 CAN数据帧结构

标准帧（11位ID）/扩展帧（29位ID）
数据段最大8字节。

graph LR
A[帧起始] --> B[仲裁字段(ID+RTR)] --> C[控制字段] --> D[数据段] --> E[CRC] --> F[ACK] --> G[帧结束]

字段详解：

• 起始位：1位，逻辑0

• 仲裁字段：ID+远程请求位

• 控制字段：数据长度（0~8字节）

• 数据段：实际数据

• CRC：循环冗余校验

• ACK：应答

• 结束位：7位隐性

3.3 CAN位时序

• 1位时间分为同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2

• 波特率常见有1Mbps, 500kbps, 250kbps等

• 总线长度与速率成反比（长距离选低速）

3.4 CAN仲裁机制

• 基于标识符ID优先级（ID越小优先级越高）

• 多主机发送冲突自动解决，优先级高的继续发送

4. STM32 CAN控制器介绍

4.1 CAN控制器介绍

STM32通常内部集成了CAN控制器（如bxCAN）。
支持标准帧、扩展帧、过滤、FIFO、硬件自动重发等。

4.1 CAN控制器模式

• 正常模式（Normal）：正常收发

• 回环模式（Loopback）：自发自收，用于测试

• 静默模式（Silent）：只收不发，用于总线监控

• 回环+静默：自发自收且不影响总线

4.2 CAN控制器框图

5. CAN寄存器及库函数介绍

• 主要寄存器：

  • CAN_MCR：主控制寄存器

  • CAN_MSR：主状态寄存器

  • CAN_TSR：发送状态寄存器

  • CAN_RF0R/1R：接收FIFO寄存器

  • CAN_IER：中断使能寄存器

  • CAN_ID、CAN_FxR：滤波器配置

• HAL库/Std库/裸寄存器三种开发方式

• 常用API示例（HAL库为例）：

CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
uint8_t TxData[8] = {0};
uint32_t TxMailbox;// 初始化配置
hcan.Instance = CAN1;
hcan.Init.Prescaler = 16; // 波特率
hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
HAL_CAN_Init(&hcan);// 发送数据
TxHeader.DLC = 8;
TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;
TxHeader.StdId = 0x321;
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);// 接收数据（中断/轮询）
HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_RX_FIFO0, &RxHeader, RxData);

6. CAN基本驱动流程

典型CAN通信初始化与收发流程

// 1. 配置GPIO引脚为CAN功能
// 2. 配置CAN参数（波特率、模式等）
// 3. 配置CAN滤波器（使能/屏蔽特定ID）
// 4. 启动CAN模块
HAL_CAN_Start(&hcan1);
// 5. 使能中断（可选）
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, ...);
// 6. 发送数据
HAL_CAN_AddTxMessage(...);
// 7. 接收数据（轮询或中断）

注意：中断回调函数一般如下

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{// 处理接收到的数据
}

7. 其他知识点

7.1 CAN滤波器配置

• 作用：只让关心的ID帧进入接收FIFO，减轻CPU负担

• 配置方式：屏蔽位、掩码位

• 例：只接收ID为0x123的数据帧

CAN_FilterTypeDef canFilter;
canFilter.FilterIdHigh = 0x123 << 5;
canFilter.FilterMaskIdHigh = 0x7FF << 5;
canFilter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
canFilter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
canFilter.FilterBank = 0;
canFilter.FilterActivation = ENABLE;
HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &canFilter);

7.2 错误管理与调试

• 典型错误：Acknowledge Error、Bit Error、Stuff Error等

• 常见调试思路：检查波特率、终端电阻、滤波器、收发器芯片、连线

7.3 多主多节点通信机制

• 同时多节点可发，利用仲裁避免冲突

• ID优先级机制示例

8. 常见应用与技巧

• CANopen、DeviceNet等高层协议

• 总线负载率计算

• 常见硬件问题排查法

9. 总结

CAN是现代汽车与工业现场的主流总线之一，实际项目中需熟悉协议、硬件配置、MCU代码实现与调试要点。

波特率的计算

一、CAN波特率的计算原理

CAN总线的波特率（Baud rate）= 1 bit传输所需时间的倒数。

CAN通信中**1位时间（Bit Time）**由多个时段组成：

• 同步段（Sync_Seg）：固定为1个时间单元

• 传播段（Prop_Seg）：信号传播延时补偿

• 相位缓冲段1（Phase_Seg1）

• 相位缓冲段2（Phase_Seg2）

STM32常用的CAN模块内部的时钟（f_CANclk）通常来自APB1外设时钟，比如36MHz、42MHz等。

波特率公式如下：

波特率 = f_CANclk / ((Prescaler) × (Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2))

其中：

• Prescaler：分频系数（整型，寄存器设置）

• Sync_Seg：同步段（固定为1）

• Prop_Seg：传播段（1~8）

• Phase_Seg1：相位缓冲段1（1~8）

• Phase_Seg2：相位缓冲段2（1~8）

STM32中的术语（HAL库结构体）：

• Prescaler —— 分频系数

• TimeSeg1 —— Prop_Seg + Phase_Seg1

• TimeSeg2 —— Phase_Seg2

二、例子

1.目标

• f_CANclk：CAN模块时钟频率，这里为36 MHz

• 目标波特率：500 kbps

• Prescaler：6（分频系数，寄存器设定的值，实际分频为6）

• TimeSeg1：13 TQ（包含传播段+相位缓冲段1，寄存器直接设置为13）

• TimeSeg2：2 TQ（相位缓冲段2，寄存器直接设置为2）

• 一个比特的总时间TQ数：Sync_Seg + TimeSeg1 + TimeSeg2 = 1 + 13 + 2 = 16 TQ

2. 计算公式

CAN波特率公式如下：

3. 具体计算过程

这里结果为375 kbps.

4. 推导500kbps配置

我们用同样的方法，反推500kbps的参数（TQ=16）：

分频只能是整数，所以在36MHz时，TQ=16时无法整除出500kbps。

• 如果Prescaler取4，波特率= 36,000,000 / (4*16) = 562,500 bps

• 如果Prescaler取5，波特率= 36,000,000 / (5*16) = 450,000 bps

所以，在36MHz下要精确得到500kbps，TQ数需重新调整！

5. 最佳500kbps配置方法

常见办法1：调TQ（比特宽度）

如果TQ=12，则

这时：

• Prescaler=6

• Sync_Seg=1，TimeSeg1+TimeSeg2=11（比如TimeSeg1=9, TimeSeg2=2）

此时就可以实现500kbps波特率！

6. 代码配置举例（500kbps, 36MHz时钟，TQ=12）

hcan1.Init.Prescaler = 6;
hcan1.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;   // PropSeg+PhaseSeg1=9
hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_2TQ;   // PhaseSeg2=2

1 + 9 + 2 = 12TQ，总线速率 = 36MHz / (6*12) = 500,000 bps

STM32 HAL库典型配置

CAN_HandleTypeDef hcan1;hcan1.Instance = CAN1;
hcan1.Init.Prescaler = 6;              // 分频系数
hcan1.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;     // 正常模式
hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;    // 9TQ
hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_2TQ;     // 2TQ
hcan1.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;
hcan1.Init.AutoBusOff = DISABLE;
hcan1.Init.AutoWakeUp = DISABLE;
hcan1.Init.AutoRetransmission = ENABLE;
hcan1.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
hcan1.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;if (HAL_CAN_Init(&hcan1) != HAL_OK)
{// 错误处理
}

7.实用小结

1. 推荐使用CubeMX自动生成配置，避免计算错误。

2. 如果手动写代码，优先保证 Prescaler × (Sync_Seg + Prop_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2) 能整除 f_CANclk，并且 TQ 一般在8~25之间，推荐16TQ。

3. 不同芯片的CAN_BS1、CAN_BS2含义略有差异，查手册。

4. 确保主频、分频、段宽参数设定正确，否则收发可能会出现不可预知的错误！

实验：

正常模式：两个CAN设备实现收发。

main.c

#include "sys.h"        
#include "delay.h"        
#include "led.h"          
#include "uart1.h"        
#include "can.h"      
#include "key.h"         uint8_t data_send[8] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88}; // 发送数据缓存
uint8_t data_receive[8];                                                  // 接收数据缓存int main(void)
{HAL_Init();                         // 初始化HAL库stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     // 设置系统时钟为72MHzled_init();                         // 初始化LEDuart1_init(115200);                 // 初始化串口1，波特率115200can_init();                         // 初始化CAN控制器key_init();                         // 初始化按键扫描printf("hello world!\r\n");         // 启动提示信息uint8_t i = 0;while(1){ if(key_scan() == 1)             // 检查按键是否被按下（返回1表示按下）{for(i = 0; i < 8; i++)data_send[i]++;         // 发送内容自增，便于区分多次发送的数据can_send_data(0x12345678, data_send, 8); // 发送8字节数据，扩展帧ID为0x12345678}can_receive_data(data_receive); // 检查是否有数据接收，有则读取到data_receive}
}

can.c

#include "can.h"
#include "stdio.h"CAN_HandleTypeDef can_handle = {0}; // CAN控制器句柄// ===========================
// CAN初始化
// ===========================
void can_init(void)
{can_handle.Instance = CAN1;             // 选择CAN1模块can_handle.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL; // 设置CAN模式// CAN_MODE_NORMAL: 正常工作模式// CAN_MODE_LOOPBACK: 回环自测模式（自发自收，不上总线）// CAN_MODE_SILENT: 静默模式（只收不发）// CAN_MODE_SILENT_LOOPBACK: 静默回环模式（自测且不影响总线）can_handle.Init.Prescaler = 4;          // 分频系数，影响波特率can_handle.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ; // 时间段1（传播段+相位缓冲1），可选CAN_BS1_xTQ(x=1~16)can_handle.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_8TQ; // 时间段2（相位缓冲2），可选CAN_BS2_xTQ(x=1~8)can_handle.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ; // 同步跳转宽度，CAN_SJW_1TQ~CAN_SJW_4TQcan_handle.Init.AutoBusOff           = DISABLE;  // 自动离线管理，ENABLE=自动进入BUS OFF，DISABLE=手动处理can_handle.Init.AutoRetransmission   = DISABLE;  // 自动重发，ENABLE=报文失败后自动重发can_handle.Init.AutoWakeUp           = DISABLE;  // 自动唤醒，ENABLE=休眠后有总线活动自动唤醒can_handle.Init.ReceiveFifoLocked    = DISABLE;  // FIFO锁定，ENABLE=FIFO满时新报文被丢弃，DISABLE=溢出后覆盖can_handle.Init.TimeTriggeredMode    = DISABLE;  // 时间触发模式，ENABLE=开启定时触发can_handle.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;  // 发送优先级，ENABLE=按报文优先级，DISABLE=先到先发HAL_CAN_Init(&can_handle);                     // 初始化CAN硬件// ==============================// 配置CAN滤波器，决定哪些ID可以被接收// ==============================CAN_FilterTypeDef can_filterconfig = {0};can_filterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // 滤波模式// CAN_FILTERMODE_IDMASK: 掩码模式，常用于接收一类ID// CAN_FILTERMODE_IDLIST: 列表模式，精确匹配指定IDcan_filterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT; // 滤波宽度// CAN_FILTERSCALE_16BIT: 16位宽（可配置更多过滤器），CAN_FILTERSCALE_32BIT: 32位宽can_filterconfig.FilterIdHigh = 0;       // 过滤器ID高16位（对应标准帧和扩展帧ID高位）can_filterconfig.FilterIdLow = 0;        // 过滤器ID低16位can_filterconfig.FilterMaskIdHigh = 0;   // 屏蔽位高16位，0表示不过滤can_filterconfig.FilterMaskIdLow = 0;    // 屏蔽位低16位，0表示不过滤can_filterconfig.FilterBank = 0;         // 过滤器编号（0~13）can_filterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0; // 分配到FIFO0// CAN_FILTER_FIFO0 或 CAN_FILTER_FIFO1can_filterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;    // 启用过滤器can_filterconfig.SlaveStartFilterBank = 14; // 单CAN一般不用HAL_CAN_ConfigFilter(&can_handle, &can_filterconfig); // 设置过滤器HAL_CAN_Start(&can_handle);                 // 启动CAN模块
}// ===========================
// CAN底层硬件初始化，主要配置时钟和IO口
// ===========================
void HAL_CAN_MspInit(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{__HAL_RCC_CAN1_CLK_ENABLE();            // 使能CAN1时钟__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();           // 使能GPIOA时钟GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_12;              // CAN1_TX (PA12)gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;         // 复用推挽输出gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;             // 上拉gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // 高速HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_11;              // CAN1_RX (PA11)gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;      // 复用输入HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
}// ===========================
// 发送CAN数据帧
// 参数：
//   id —— 报文ID（标准帧用StdId，扩展帧用ExtId）
//   buf —— 8字节数据缓存
//   len —— 数据长度（0~8）
// 可选参数：
//   tx_header.IDE: CAN_ID_STD（标准帧），CAN_ID_EXT（扩展帧）
//   tx_header.RTR: CAN_RTR_DATA（数据帧），CAN_RTR_REMOTE（远程帧）
// ===========================
void can_send_data(uint32_t id, uint8_t *buf, uint8_t len)
{CAN_TxHeaderTypeDef tx_header = {0};  // 发送报文头结构体uint32_t tx_mail = CAN_TX_MAILBOX0;   // 发送邮箱，可为CAN_TX_MAILBOX0/1/2tx_header.ExtId = id;                 // 扩展帧IDtx_header.DLC = len;                  // 数据长度（0~8）tx_header.IDE = CAN_ID_EXT;           // 扩展帧// CAN_ID_STD: 标准帧，tx_header.StdId = id// CAN_ID_EXT: 扩展帧，tx_header.ExtId = idtx_header.RTR = CAN_RTR_DATA;         // 数据帧// CAN_RTR_DATA: 数据帧// CAN_RTR_REMOTE: 远程帧HAL_CAN_AddTxMessage(&can_handle, &tx_header, buf, &tx_mail); // 发送数据// 等待所有邮箱空闲（发送完毕再返回）while(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&can_handle) != 3);// 打印调试信息uint8_t i = 0;printf("发送数据：\r\n");for(i = 0; i < len; i++)printf("%X ", buf[i]);printf("\r\n");
}// ===========================
// 接收CAN数据帧
// 参数：
//   buf —— 用于存放接收到的数据
// 返回值：
//   实际接收到的数据字节数（0表示无数据）
// ===========================
uint8_t can_receive_data(uint8_t *buf)
{CAN_RxHeaderTypeDef rx_header = {0}; // 接收报文头结构体// 查询FIFO0接收缓冲区是否有数据if(HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(&can_handle, CAN_RX_FIFO0) == 0)return 0;HAL_CAN_GetRxMessage(&can_handle, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, buf); // 读取数据uint8_t i = 0;printf("接收数据：\r\n");for(i = 0; i < rx_header.DLC; i++)printf("%X ", buf[i]);printf("\r\n");return rx_header.DLC;   // 返回数据长度
}

can.h

#ifndef __CAN_H__     
#define __CAN_H__#include "sys.h"      // ========================
// 初始化CAN硬件与滤波器
// ========================
void can_init(void);// ========================
// 发送一帧CAN数据
// 参数：
//   id  —— 帧ID（标准帧/扩展帧均可）
//   buf —— 数据缓存区
//   len —— 数据长度（0~8字节）
// ========================
void can_send_data(uint32_t id, uint8_t *buf, uint8_t len);// ========================
// 接收一帧CAN数据
// 参数：
//   buf —— 存放接收数据的缓存区
// 返回：
//   实际接收到的数据长度
// ========================
uint8_t can_receive_data(uint8_t *buf);#endif

回环模式：使用回环模式实现自发自收；

只用修改模式即可

can_handle.Init.Mode = CAN_MODE_LOOPBACK; // 设置CAN模式