STM32-CAN
一、CAN 是什么
CAN 是一种面向现场总线的串行通信协议。和普通 UART 点对点通信不同，CAN 更强调多个节点挂在同一条总线上进行可靠通信。
CAN 总线通常由以下部分组成：
CAN 控制器：芯片内部的 CAN 外设，例如 STM32 内部的 bxCAN
CAN 收发器：外部电平转换芯片，例如 TJA1050、SIT1050T 等
CAN_H 和 CAN_L：两根差分信号线
终端电阻：用于阻抗匹配，减少信号反射
STM32 内部 CAN 外设负责协议层处理，比如报文收发、仲裁、过滤、错误管理等；外部 CAN 收发器负责把控制器的逻辑信号转换成 CAN_H/CAN_L 差分信号。
常见 CAN 类型可以简单分为：
| 类型 | 速率范围 | 典型特点 |
|---|---|---|
| 低速 CAN | 10Kbps ~ 125Kbps | 通信距离较远，低速场景使用 |
| 高速 CAN | 125Kbps ~ 1Mbps | 经典 CAN 常用形式，应用最广 |
| CAN FD | 可达数 Mbps | 数据段速率更高，兼容经典 CAN 的部分机制 |
对于 STM32F1 这类带 bxCAN 的芯片，主要学习和使用的是经典 CAN，也就是 CAN 2.0A / CAN 2.0B。
二、CAN 总线特点
CAN 总线有几个非常重要的特点：
1. 多主控制
CAN 总线不是传统“一主多从”的结构。每个节点在总线空闲时都可以主动发送数据。
这意味着 CAN 总线上没有固定主机，任何节点都可以成为发送节点，也可以成为接收节点。
2. 无节点地址，靠报文 ID 区分数据
CAN 报文里没有类似 IIC 从机地址那样的设备地址。CAN 更关注“这条消息是什么”，而不是“这条消息发给谁”。
接收节点通过报文 ID 判断自己是否关心这条消息。这样新增节点时，通常不会破坏原有总线结构。
3. 速度快，距离远
CAN 使用差分信号传输，抗干扰能力强。通信速率和传输距离需要平衡：
速率越高，可稳定传输的距离通常越短
距离越远，通常需要降低速率并做好布线和终端匹配
4. 错误处理能力强
CAN 协议内置错误检测、错误通知和错误恢复机制。节点可以检测位错误、CRC 错误、格式错误、应答错误等，并通过错误帧通知其他节点。
这也是 CAN 适合汽车和工业现场的重要原因。
5. 支持较多节点
CAN 总线可以连接多个节点，但节点数量、通信速度、线缆长度和收发器性能之间需要综合权衡。
三、CAN 物理层：差分信号与显性/隐性电平
CAN 使用CAN_H和CAN_L两根线进行差分传输。接收端根据两根线之间的电压差判断总线电平。
CAN 总线电平分为两种：
| 总线电平 | 逻辑值 | 特点 |
|---|---|---|
| 显性电平 | 逻辑 0 | 优先级高，可以覆盖隐性电平 |
| 隐性电平 | 逻辑 1 | 总线空闲时通常处于隐性状态 |
显性电平具有优先权，这一点非常关键。它使 CAN 可以实现非破坏性仲裁：多个节点同时发送时，低 ID 报文可以继续发送，其他节点自动退出，不会把总线数据撞坏。
高速 CAN 和低速 CAN 的物理拓扑不同：
低速 CAN 通常属于开环总线
高速 CAN 通常属于闭环总线，两端需要终端电阻
实际硬件设计中，高速 CAN 总线两端常接120Ω终端电阻，用于阻抗匹配，减少回波反射。
四、CAN 收发器
STM32 的 CAN 控制器不能直接连接 CAN_H/CAN_L 总线，需要外接 CAN 收发器。常见芯片包括：
TJA1050
TJA1042
SIT1050T
以 SIT1050T / TJA1050 这类高速 CAN 收发器为例，常见引脚含义如下：
| 引脚 | 作用 |
|---|---|
| D / TXD | CAN 发送输入端，连接 CAN 控制器发送引脚 |
| R / RXD | CAN 接收输出端，连接 CAN 控制器接收引脚 |
| CANH | 高电位 CAN 总线端 |
| CANL | 低电位 CAN 总线端 |
| Vref | 参考电压输出 |
| RS | 模式控制，可用于高速或静音模式 |
简单理解：
STM32 bxCAN_TX -> CAN 收发器 D/TXD -> CAN_H/CAN_L 总线 STM32 bxCAN_RX <- CAN 收发器 R/RXD <- CAN_H/CAN_L 总线CAN 控制器处理协议，CAN 收发器处理电气信号，两者配合才能完成真实总线通信。
五、CAN 协议层：5 种帧类型
CAN 总线以“帧”为单位进行通信。CAN 协议定义了 5 种帧：
| 帧类型 | 作用 |
|---|---|
| 数据帧 | 发送节点向接收节点传输数据，最常用 |
| 遥控帧 | 接收节点向具有相同 ID 的发送节点请求数据 |
| 错误帧 | 节点检测到错误时通知其他节点 |
| 过载帧 | 接收节点通知自己暂时没有准备好接收 |
| 间隔帧 | 用于分隔数据帧或遥控帧 |
日常应用里最常见的是数据帧。
六、CAN 数据帧结构
CAN 数据帧由 7 个段组成：
| 数据帧字段 | 作用 |
|---|---|
| 帧起始 | 表示数据帧开始，使用显性信号 |
| 仲裁段 | 包含报文 ID 和 RTR 位，用于决定总线优先级 |
| 控制段 | 表示数据长度和保留位 |
| 数据段 | 真正传输的数据，经典 CAN 一帧可发送0~8字节 |
| CRC 段 | 用于检测帧传输错误 |
| ACK 段 | 接收节点确认正确接收 |
| 帧结束 | 表示数据帧结束，通常为 7 个隐性位 |
CAN 数据帧又分为标准帧和扩展帧：
| 帧格式 | 标识符长度 | 对应版本 |
|---|---|---|
| 标准帧 | 11 位 ID | CAN 2.0A |
| 扩展帧 | 29 位 ID | CAN 2.0B |
STM32 bxCAN 支持 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active，因此可以处理标准数据帧和扩展数据帧。
七、CAN 位时序
CAN 通过位时序机制完成采样和同步。一个 CAN 位时间由多个时间量子Tq组成。
经典 CAN 协议中，一个位时间可以理解为以下几段：
| 时间段 | 含义 |
|---|---|
| SS | 同步段，通常为1Tq |
| PTS | 传播时间段，用于补偿总线传播延迟 |
| PBS1 | 相位缓冲段 1 |
| PBS2 | 相位缓冲段 2 |
在 STM32 bxCAN 中，位时序配置常见为 3 个部分：
| bxCAN 字段 | 对应理解 |
|---|---|
SYNC_SEG | 同步段，固定为1Tq |
BS1 | 相当于协议中的PTS + PBS1 |
BS2 | 相位缓冲段 2 |
CAN 波特率计算可以按下面的思路理解：
CAN波特率 = CAN时钟 / 分频系数 / (1 + BS1 + BS2)其中1对应同步段SYNC_SEG。
例如 CAN 时钟为36MHz，分频系数为9，BS1 = 5Tq，BS2 = 2Tq，则：
波特率 = 36MHz / 9 / (1 + 5 + 2) = 500Kbps位时序不仅影响波特率，也会影响采样点位置。采样点就是 CAN 控制器读取总线电平并把它判定为当前位值的位置。
八、CAN 同步机制
CAN 总线上的每个节点都有自己的时钟。由于晶振误差、线缆传播延迟等因素，不同节点对同一位的理解可能出现偏移，所以 CAN 需要同步机制。
CAN 同步可以分为：
1. 硬同步
节点检测到帧起始边沿时，会将自己的同步段调整到该边沿位置，从而让内部位时序和总线重新对齐。
2. 再同步
在普通数据位传输过程中，如果检测到边沿偏移，CAN 控制器会通过调整PBS1或PBS2进行再同步。
再同步调整的最大范围由SJW决定。SJW的范围通常为1~4Tq。
SJW越大，吸收时钟误差和相位偏差的能力越强；但配置也要配合整体位时序，不能脱离通信速率和采样点随意设置。
九、CAN 总线仲裁
CAN 支持多个节点同时尝试发送数据。为了避免总线冲突，CAN 使用基于报文 ID 的仲裁机制。
仲裁规则可以概括为：
总线空闲时，最先开始发送的节点获得发送权
多个节点同时发送时，从仲裁段的第一位开始比较
显性电平
0优先于隐性电平1谁先发送隐性电平但检测到总线为显性电平，谁就失去仲裁
失去仲裁的节点自动转为接收状态，并在总线空闲后再次尝试发送
由于显性位可以覆盖隐性位，因此 CAN 仲裁不会破坏正在发送的高优先级报文，这叫非破坏性仲裁。
报文 ID 数值越小，仲裁时越容易保持显性位，因此优先级越高。
十、STM32 bxCAN 控制器
STM32 中常见的 CAN 外设叫 bxCAN。它支持 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active 协议。
bxCAN 的主要特点：
最高波特率可达
1Mbps支持标准帧和扩展帧
支持时间触发通信
具有 3 个发送邮箱
具有 2 个接收 FIFO，每个 FIFO 具备 3 级深度
支持可变过滤器组，部分系列最多 28 个过滤器组
支持正常、睡眠、初始化等工作模式
支持静默、环回、环回静默等测试模式
1. 工作模式
| 工作模式 | 作用 |
|---|---|
| 初始化模式 | 用于配置 CAN 寄存器 |
| 正常模式 | CAN 与总线同步，开始收发数据 |
| 睡眠模式 | 降低功耗 |
2. 测试模式
| 测试模式 | 作用 |
|---|---|
| 静默模式 | 只监听总线，不主动影响总线，适合统计总线流量 |
| 环回模式 | 发送数据直接回到接收路径，适合自检 |
| 环回静默模式 | 内部自收自发且不影响外部总线 |
学习 CAN 时，环回模式很适合先验证 CAN 外设配置是否正确；真正接入总线前，再切换到正常模式。
十一、bxCAN 内部结构
bxCAN 内部主要由以下部分组成：
| 模块 | 作用 |
|---|---|
| CAN 内核 | 包含控制、状态、配置寄存器，可配置模式和波特率 |
| 发送邮箱 | 缓存待发送报文，最多可缓存 3 个 |
| 接收 FIFO | 缓存接收到的有效报文 |
| 接收过滤器 | 判断哪些报文可以进入接收 FIFO |
发送过程大致是：
应用层准备报文 -> 写入发送邮箱 -> bxCAN 根据总线状态参与仲裁 -> 仲裁成功后发送到 CAN 总线接收过程大致是：
CAN 总线收到报文 -> bxCAN 检查帧格式和 CRC -> 通过过滤器筛选 -> 合格报文进入接收 FIFO -> 软件读取 FIFO 中的报文十二、CAN 接收过滤器
CAN 总线上所有节点都能看到总线上的报文。如果每条报文都交给软件处理，CPU 压力会很大。因此 bxCAN 提供硬件接收过滤器。
每个过滤器组都有两个 32 位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2。过滤器的具体含义由两类配置决定：
位宽：16 位或 32 位
模式：屏蔽位模式或标识符列表模式
1. 屏蔽位模式
屏蔽位模式用于“匹配一类 ID”。
可以理解为：
FilterId ：希望匹配的 ID FilterMask ：哪些位需要比较，哪些位可以忽略这种模式适合接收一段范围或一类规则相近的报文。
2. 标识符列表模式
标识符列表模式用于“精确匹配某些 ID”。
适合只接收几个固定 ID 的场景，例如只关心0x100、0x101、0x200这类指定报文。
3. FIFO 关联
过滤器命中的报文可以配置进入 FIFO0 或 FIFO1。项目中可以按消息类型划分：
重要实时消息进入 FIFO0
普通状态消息进入 FIFO1
这样软件处理时会更清晰。
十三、CAN 常用寄存器
理解 HAL 库时，知道关键寄存器的职责很有帮助。
| 寄存器 | 作用 |
|---|---|
CAN_MCR | CAN 主控制寄存器，主要配置工作模式 |
CAN_BTR | 位时序寄存器，配置分频、BS1、BS2、SJW 和测试模式 |
CAN_(T/R)IxR | 标识符寄存器，存放发送或接收报文 ID、IDE、RTR 等 |
CAN_(T/R)DTxR | 数据长度和时间戳寄存器，保存 DLC 等信息 |
CAN_(T/R)DLxR | 低位数据寄存器，保存 Data0~Data3 |
CAN_(T/R)DHxR | 高位数据寄存器，保存 Data4~Data7 |
CAN_FM1R | 过滤器模式寄存器，设置列表模式或屏蔽位模式 |
CAN_FS1R | 过滤器位宽寄存器，设置 16 位或 32 位 |
CAN_FFA1R | FIFO 关联寄存器，设置过滤后进入哪个 FIFO |
CAN_FA1R | 过滤器激活寄存器，开启对应过滤器组 |
CAN_FxR1 / CAN_FxR2 | 过滤器组寄存器，保存具体过滤规则 |
实际开发时不一定直接操作这些寄存器，但它们能帮助理解 HAL 初始化结构体背后的含义。
十四、CAN 常用 HAL 接口
STM32 HAL 库中，CAN 常用接口如下：
| HAL 接口或宏 | 作用 |
|---|---|
__HAL_RCC_CANx_CLK_ENABLE | 使能 CAN 外设时钟 |
HAL_CAN_Init | 初始化 CAN 外设 |
HAL_CAN_ConfigFilter | 配置 CAN 接收过滤器 |
HAL_CAN_Start | 启动 CAN 外设 |
HAL_CAN_ActivateNotification | 使能 CAN 通知中断 |
__HAL_CAN_ENABLE_IT | 使能指定 CAN 中断 |
HAL_CAN_AddTxMessage | 添加待发送报文到发送邮箱 |
HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel | 查询空闲发送邮箱数量 |
HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel | 查询接收 FIFO 中的报文数量 |
HAL_CAN_GetRxMessage | 从接收 FIFO 读取报文 |
常见结构体：
| 结构体 | 作用 |
|---|---|
CAN_InitTypeDef | 配置 CAN 工作模式、位时序、自动重传等 |
CAN_FilterTypeDef | 配置接收过滤器 |
CAN_TxHeaderTypeDef | 配置发送报文头 |
CAN_RxHeaderTypeDef | 保存接收报文头 |
十五、CAN 基本驱动配置思路
CAN 的配置流程可以按下面几步理解。
1. 初始化 CAN 参数
通过HAL_CAN_Init配置 CAN 外设基础参数，包括：
工作模式
自动重传
自动唤醒
自动离线管理
位时序分频
BS1BS2SJW
其中位时序参数直接决定 CAN 波特率，必须和总线上其他节点一致。
2. 初始化底层硬件
在HAL_CAN_MspInit中通常完成：
使能 CAN 外设时钟
使能对应 GPIO 时钟
配置 CAN_TX 引脚为复用推挽输出
配置 CAN_RX 引脚为输入或复用输入
如需中断，配置 NVIC
如果使用外部收发器，还要保证 CAN 收发器供电、模式控制引脚和终端电阻配置正确。
3. 配置接收过滤器
通过HAL_CAN_ConfigFilter配置硬件过滤器。至少需要保证目标报文能够通过过滤器进入 FIFO，否则总线上有数据也可能读不到。
调试初期可以先配置成接收所有 ID，确认通信链路正常后，再收紧过滤规则。
4. 启动 CAN 外设
调用HAL_CAN_Start后，CAN 才真正进入可通信状态。
如果只是初始化了参数但没有启动外设，发送和接收都不会正常进行。
5. 发送和接收数据
发送时通常使用：
HAL_CAN_AddTxMessage接收时通常使用：
HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel HAL_CAN_GetRxMessage如果使用中断方式，还需要开启通知并实现对应回调函数。
6. 可选：使能中断
如果项目需要及时接收报文，可以使能 FIFO 消息挂起中断。典型流程是：
HAL_CAN_ActivateNotification -> NVIC 配置 -> 中断回调中读取 FIFO 报文中断中建议尽量只做数据搬运和状态标记，复杂解析留到主循环或任务中处理。