CAN知识大全——带你读懂CAN数据手册

一、CAN的通信特点

1.can通信：串行、异步、半双工通信；

2.有一对差分信号（CANH和CANL，有的也叫CHAN和CHAL）；

3.实际系统中可使用多路独立 CAN 总线，分别控制不同功能模块，使网络结构更清晰。为统一解析报文含义，我们会人为使用.dbc CAN 数据库文件，定义 ID 与数据对应的物理意义，类似于在串口通信中的数据包格式（包头、包尾、校验位、数据位等），方便各节点统一解析数据，保证每一个节点或者部门都有自己的通信协议，不会互相干扰。

4.通信速率有低速、高速还有CAN FD三种，了解即可。

5.CAN 控制器（注意是控制器，不是收发器，控制器在板子内部，收发器是我们需要自行购买的联通两边的通信中介）根据两根线（CANH和CANL，有的也叫CHAN和CHAL）上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。

至于电平定义，分为显性电平和隐性电平，就是逻辑1和逻辑0，但是高速can和低速can的显性电平和隐性电平的定义不同，并且他们的硬件电路也有所不同。

二、CAN的数据帧格式及其位时序与位填充

数据帧格式

CAN的帧类型一共有4种，数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。实际开发中，主要关注的是数据帧的收发。远程帧在某些应用（如诊断、轮询式数据采集）中也会用到。而错误帧和过载帧完全由CAN控制器硬件处理，你只需要通过状态寄存器去判断是否发生过错误即可。

往下我们主要聚焦数据帧的格式，一个数据帧有7个段组成，

| 帧起始 | 仲裁段 | 控制段 | 数据段 | CRC段 | 应答段 | 帧结束 |

位时序和同步方法

位时序

CAN总线不使用传统的时钟线，每个时钟的所发送的一个数据位通过位时序拼成，用于防止因为传输距离过长或者信号干扰导致的信号采集延迟或提前。一个标称位时间（Tq）被分成4个段：

采样点在PBS1和PBS2中间。

关于采样点，涉及到CAN控制器的同步方法：硬同步和再同步。

同步方法用于校准采样点，防止采样点偏移PBS1和PBS2中间。

同步方法

硬同步就是在数据帧的一开始，直接强行调整采样点，此后不在进行硬同步。

再同步就是在数据帧后续中，并且再同步只认 隐性 → 显性（1→0）的跳变，也就是下降沿！通过动态调整自己的PBS1和上一个的PBS2的Tq，持续调整采样点。

一般在硬同步之后还会继续调用再同步，防止持续发送数据造成的误差，起到一个类似于“时钟”的作用，对各节点的“时序”进行同步。

位填充

概念

发送端规则：从帧起始（SOF段）到校验位（CRC段），当can发送节点连续发送5个一样的电平（连续5个显性位或者5个隐性位），就会强制插入一个相反的电平的填充位

接收端规则：检测接收到连续5个一样的电平后紧跟着一个相反电平，会自动删除这个填充位，若检测接收到连续6个一样的电平后判定为位填充错误，并由检测到错误的节点（节点可以是接收端也可以是发送端，这里是接收端发现错误，由接收端发送）向CAN总线发送错误帧，告诉总线上所以节点这一帧数据错误，作废。

作用

1.错误通知机制：当节点检测到位填充错误、CRC 错误等任意 CAN 错误时，会强制发送一个长度为6位的0信号（显性位），以此向总线上的其他节点提醒错误当前帧出错了。

2.便于同步时钟：CAN总线没有单独的时钟线来保证各节点的交流，需要靠电平的调变来产生变化，然后各节点进行对齐；倘若没有位填充，数据一直发送1111......时间一长可能就会发生同步丢失，导致数据出错；

3.至于位填充怎么让各节点同步更新，结合上面关于位时序再同步的知识，CAN 再同步只认 隐性 → 显性（1→0）的跳变，所以在出现位填充这个相反电平的电平调变后，必然会出现一个下降沿，就会趁此下降沿进行再同步。

三、CAN的发送邮箱与接收FIFO

CAN 发送邮箱（Transmit Mailbox）和接收 FIFO（Receive FIFO）是 CAN 控制器（内部核心的硬件缓存与调度机制，专门解决 “CPU 速度快、CAN 总线慢” 的矛盾，实现异步、可靠、不丢帧的通信。

CAN的发送邮箱

STM32中，CAN有3个发送邮箱，可以了简单理解成一个长度为三的数组，每一位代表一个邮箱，每个邮箱只能存一帧报文，用来暂时存储CAN要发送的数据，这样就不需要发一帧数据还要重新上传一帧数据，而是能实现一次发送3帧数据。

CPU能手动发送指令，告诉CAN控制器“你可以发送了”，此时置位TXRQ（发送请求），CAN硬件会自己完成仲裁+发送+错误重发等，直到邮箱空闲（⚠️邮箱在发送期间会被CAN硬件占用，CPU控制不了），期间CPU只负责把要发送的数据丢进邮箱，不需要等待或者CPU自己发送，缓解CPU压力。

CAN的接收FIFO

STM32中，CAN有2个接收FIFO，深度为3帧，可以理解成2个长度为3的队列（FIFO），在经过过滤器（下面会讲）过滤ID后，才能进入FIFO，按照先到先读取的顺序处理数据。

作用：用于缓存突然大量的接收的数据，防止数据被覆盖，便于接收端的CPU慢慢处理数据，并且由于有2个FIFO，可以设置一个FIFO为紧急组，一个FIFO为普通组，实现急缓分流，同时FIFO的每一个状态（满，半满，新帧）能出发中断，不需要一直轮询，所以也能缓解CPU压力

四、CAN的过滤器

概念

由于CAN通信是广播式的，所有节点都能收到信息，为了防止数据传输错误，就需要ID来辨别是要发送给哪个节点，而辨别的工作就靠过滤器完成，在报文进入FIFO之前会现在过滤器筛选ID，ID不对直接放弃该帧数据。

结构组成及其模式

STM32F103系列共有14个过滤器，互联型系列有28个过滤器。每个过滤器有2个32位的寄存器，分别是Filter ID寄存器和Filter Mask寄存器。2种寄存器在不同的模式下有不同的作用。

掩码模式：掩码用于筛选你不想对比的位，比如你想发的ID是11223344，掩码是000011，意思就是只要发送过来的ID是xxxx44，只需要后2位对就行，如果掩码是111111，就是只有11223344才能通过。所以在掩码模式下，c就作为存放“11223344”这个目标ID值的寄存器，Filter Mask寄存器作为存放掩码“000011”的寄存器，对应0的位不必一样，对应1的位必须一模一样。

列表模式：就是Filter ID寄存器和Filter Mask寄存器作为最基本的寄存器，存放你想通过的ID，没有掩码，传输过来的帧数据的ID必须和寄存器里的一模一样才能进入。

宽度：在Filter ID寄存器和Filter Mask寄存器中还有宽度的概念，我们知道，Filter ID寄存器和Filter Mask寄存器本质都是一个位宽32的寄存器，而一帧数据中的ID段长度是11位，32位远大于11位的存储空间，所以为了多存储目标ID，就需要把32位空间分成2份，每份16位（寄存器都是8/16/32 位对齐的，16位最合适）

这样1个32位寄存器就能存储2个目标ID，提高效率；要是遇到的是29位的扩展ID，就是一个32位寄存器存储一个目标ID。（在掩码模式和列表模式都适用。）

五、CAN的工作模式及其测试模式

工作模式

CAN的工作模式分为初始化模式、正常模式和睡眠模式，而正常模式也纳入在测试模式。

初始化模式：就是CAN总线自己初始化一些参数，不会参与发送、接收，不理会总线发生什么。

正常模式：就是我们常用的模式，发送接收和仲裁等前面提到的所有，都在这个模式完成。

睡眠模式：睡眠模式就是总线长时间没消息了就会进入睡眠模式，等总线有消息了或者代码唤醒了再进入正常模式。

测试模式

正常模式：会把消息发往总线，会正常进行接收和发送。

静默模式：相当于只接受不发送，监听者的身份。

回环模式：相当于正常模式，会把消息发往总线，会正常进行内部接收、外部接收和发送，但是会把数据同样的又向自己发送一遍，进行自测。

静默回环模式：就相当于把数据发给自己，不往外发也不接收外部，就自测。

六、CAN的仲裁

仲裁的概念

CAN 总线是多主总线—— 任何节点想发就发，不需要谁批准。如果两个或多个节点同时开始发送，就会产生冲突。仲裁就是解决冲突的机制：让 ID 优先级更高的帧优先发送，低优先级帧主动退让。整个过程完全硬件自动完成，不需要 CPU 参与，不丢数据，不冲突。

仲裁的原理

⚠️首先我们要搞清楚：显性电平是0，隐性电平是1！显性电平0强，会覆盖隐性电平1.

其次，仲裁只发生在ID段，根据ID的值来比较谁优先值高

举例：每个发送节点都在做同一件事：我发一位 → 立刻读总线电平 → 看和我发的一不一样，总线只是一根线，谁发 0 就拉低，谁发 1 就放开，总线的最终电平 = 所有节点发出来的 “与” 结果只要有一个节点发 0 → 总线就是 0，所以假设节点A，B，C的ID分别为1001,0100,0001，那么他们的优先级从高到低就是C，B，A。等C数据发送完成后，B和A或者其他新加入的节点再进行仲裁。

整个过程非破坏性、硬件自动、无冲突、不丢帧。