STM32中的CAN总线详解：从原理到实战

前言：为什么CAN总线是嵌入式通信的"硬通货"？

在嵌入式通信领域，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性 、实时性 和多节点通信能力，成为汽车电子、工业控制、智能设备等领域的"标配"。想象一下：一辆汽车中有几十个ECU（电子控制单元），从发动机控制到车窗调节，都需要实时交换数据------CAN总线正是为这种多节点、高干扰环境设计的通信协议。

STM32几乎全系列都集成了高性能CAN控制器（bxCAN），支持标准帧/扩展帧、中断/DMA传输、灵活的滤波功能，完美适配工业级应用。本文将从CAN总线的基本原理讲起，深入解析STM32的CAN外设结构、配置方法、通信流程和实战案例，帮助你彻底掌握STM32 CAN通信开发。

一、CAN总线基础：为什么它能在恶劣环境中可靠通信？

在学习STM32的CAN外设前，我们需要先理解CAN总线的核心特性------这是掌握后续内容的基础。

1.1 CAN总线的核心优势

CAN总线由博世公司在1980年代为汽车电子开发，经过30多年发展，已成为国际标准（ISO 11898），其核心优势包括：

多主通信：总线上的每个节点都可主动发送数据，无需中央控制器，避免单点故障；
非破坏性仲裁：多个节点同时发送时，通过ID优先级仲裁，优先级高的节点继续发送，低优先级的自动退让，不会破坏数据；
差分信号传输：通过CAN_H和CAN_L两根线传输差分信号，抗电磁干扰能力极强（适合工业和汽车环境）；
远距离传输：速率125kbps时传输距离可达500m，满足大多数工业场景；
错误检测与自动重传：内置CRC校验、位填充、应答机制，确保数据可靠传输，错误帧会自动重传。

1.2 CAN总线的基本概念

（1）帧结构：CAN数据的"包装格式"

CAN总线通过"帧"传输数据，最常用的是数据帧（用于传输有效数据），其结构如下（标准帧）：

字段	长度（位）	功能描述
起始位	1	帧开始标志（低电平）
仲裁	11	包含标准ID（11位），用于仲裁
控制场	6	包含数据长度（DLC，0~8字节）
数据场	0~64	有效数据（0~8字节，扩展帧支持更多）
CRC场	16	循环冗余校验，检测数据错误
应答场	2	接收节点确认收到正确数据
结束位	7	帧结束标志（高电平）

扩展帧与标准帧的区别是仲裁场包含29位ID（11位标准ID+18位扩展ID），支持更多节点和更复杂的ID规划。

（2）位时序：如何保证不同节点的同步？

CAN总线是异步通信，节点间没有统一的时钟线，通过位时序实现同步。每个位被分为4个时间段：

同步段（SS）：用于同步各节点时钟，长度1TQ（Time Quantum，时间量子）；
传播段（PS）：补偿信号传输延迟，长度1~8TQ；
相位缓冲段1（PBS1）：可延长，用于重同步，长度1~8TQ；
相位缓冲段2（PBS2）：等于PBS1或信号传播时间，长度1~8TQ。

波特率计算：波特率 = 1 / (总TQ)，其中总TQ = SS + PS + PBS1 + PBS2（通常总TQ=8~25）。

例如：STM32的CAN时钟为36MHz，若总TQ=18，则波特率=36MHz / 18 = 2Mbps。

1.3 CAN节点的硬件组成

一个完整的CAN节点包括：

MCU中的CAN控制器（如STM32的bxCAN）：负责帧的组装、发送、接收和错误检测；
CAN收发器（如SN65HVD230）：将控制器输出的TTL电平转换为CAN总线的差分信号（CAN_H/CAN_L）；
终端电阻（120Ω）：接在总线两端，匹配阻抗，防止信号反射。

典型电路 ：STM32的CAN_TX（如PB6）和CAN_RX（如PB5）连接到SN65HVD230的TXD和RXD，SN65HVD230的CAN_H和CAN_L接总线，两端各接120Ω电阻。

二、STM32的CAN外设：bxCAN控制器的强大之处

STM32的CAN控制器称为bxCAN（Basic Extended CAN），支持CAN 2.0A/B标准，不同系列（F1/F4/L4）的CAN外设功能略有差异，但核心结构一致。

2.1 bxCAN控制器的核心特性

支持标准帧（11位ID）和扩展帧（29位ID）；
3个发送邮箱：可缓存3帧待发送数据，支持优先级发送；
2个接收FIFO：每个FIFO有3级深度，可缓存3帧接收数据，减轻CPU负担；
灵活的滤波功能：14个滤波器组，支持屏蔽位模式和列表模式，精准过滤目标报文；
多种中断源：发送完成、接收FIFO满、错误警告等，支持中断和DMA传输；
总线错误管理：检测总线错误（位错误、CRC错误等），自动进入错误状态。

2.2 bxCAN的硬件结构

理解bxCAN的结构有助于后续配置，核心模块包括：

（1）发送部分：3个发送邮箱

发送邮箱（Tx Mailbox）是发送数据的"缓冲区"，每个邮箱包含：

标识符寄存器（TXID）：存储标准/扩展ID；
数据长度和数据寄存器（TXDLR、TXDATA）：存储数据长度和有效数据；
控制寄存器（TXCTRL）：配置发送优先级、帧类型等。

发送流程：当邮箱状态为"空"时，CPU填充邮箱数据，设置"发送请求"，CAN控制器会自动 arbitration（仲裁）并发送，发送完成后邮箱状态变为"空"。

（2）接收部分：2个FIFO + 14个滤波器

接收FIFO：FIFO0和FIFO1，用于缓存接收的有效报文。当FIFO中的报文数达到阈值（如3帧），会触发中断；
滤波器组：共14个（STM32F103），每个滤波器可配置为屏蔽位模式（按ID掩码过滤）或列表模式（精确匹配ID），过滤后的报文才会存入FIFO。

（3）波特率发生器

根据输入时钟（APB1时钟，最高36MHz for F1）和配置的位时序参数（预分频器、同步段、相位段），生成CAN总线需要的波特率。

三、STM32 CAN配置步骤：从CubeMX到代码实现

本节以STM32F103C8T6 和STM32CubeMX 6.6.0为例，结合HAL库，详细讲解CAN通信的配置流程。

3.1 硬件准备

开发板：STM32F103C8T6最小系统板；
CAN收发器：TJA1050模块（带120Ω终端电阻，可通过跳线选择）；
接线：STM32的PA11（CAN_RX）接TJA1050的RXD，PA12（CAN_TX）接TJA1050的TXD，TJA1050的CAN_H和CAN_L接总线（若单节点测试，可短接CAN_H和CAN_L，或接2个节点形成回路）。

3.2 CubeMX配置步骤

步骤1：新建工程，选择芯片

打开CubeMX，搜索"STM32F103C8T6"，创建新工程。

步骤2：配置时钟树

CAN外设挂载在APB1总线上，需确保APB1时钟正确（最高36MHz for F1）：

配置RCC：HSE选择"Crystal/Ceramic Resonator"（8MHz外部晶振）；
配置PLL：PLLMUL=×9，使系统时钟=72MHz；
APB1 Prescaler=×2，使APB1时钟=36MHz（满足CAN时钟需求）。

步骤3：配置CAN外设

引脚配置：在Pinout视图中，将PA11配置为"CAN_RX"，PA12配置为"CAN_TX"；
配置CAN模式：在Configuration→Connectivity→CAN中，设置：
- Mode："Normal"（正常模式，收发数据）或"Loopback"（回环模式，用于自测，发送的报文会自己接收）；
- Prescaler（预分频器）：根据波特率需求设置，例如"6"（后续计算波特率）；
- 位时序参数（Bit Timing）：
  - Sync Jump Width (SJW)："1tq"；
  - Time Segment 1 (BS1)："8tq"；
  - Time Segment 2 (BS2)："3tq"；
    （总TQ = Prescaler × (SJW+BS1+BS2) = 6×(1+8+3)=72 → 波特率=36MHz/72=500kbps）

步骤4：配置中断（可选）

若需要通过中断处理收发，需配置NVIC：

在Configuration→NVIC中，勾选"CAN_RX0_IRQn"（FIFO0接收中断）和"CAN_TX_IRQn"（发送完成中断）；
设置中断优先级（如抢占优先级1，子优先级0）。

步骤5：生成代码

设置工程路径和IDE（如MDK-ARM），点击"Generate Code"生成初始化代码。

3.3 HAL库CAN核心函数解析

生成的代码中，CAN相关核心函数位于can.c和stm32f1xx_hal_can.h，主要包括：

（1）初始化函数：`MX_CAN_Init()`

自动生成的初始化函数，配置CAN模式、波特率、滤波器等（后续需手动完善滤波器配置）：

c 复制代码

CAN_HandleTypeDef hcan;

static void MX_CAN_Init(void)
{
  hcan.Instance = CAN1;
  hcan.Init.Prescaler = 6;
  hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL; // 正常模式
  hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_8TQ;
  hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_3TQ;
  hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;
  hcan.Init.AutoBusOff = ENABLE; // 自动退出总线关闭状态
  hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE; // 自动重传
  hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
  hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;
  if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

（2）滤波器配置函数：`CAN_Filter_Config()`

滤波器需要手动配置，用于过滤目标ID的报文，示例：

c 复制代码

void CAN_Filter_Config(void)
{
  CAN_FilterTypeDef can_filter_st;
  can_filter_st.FilterActivation = ENABLE; // 使能滤波器
  can_filter_st.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // 屏蔽位模式
  can_filter_st.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT; // 32位滤波器
  
  // 配置滤波器ID和掩码（只接收ID=0x123的标准帧）
  can_filter_st.FilterIdHigh = 0x123 << 5; // 标准ID的高16位（左移5位是因为标准ID占11位）
  can_filter_st.FilterIdLow = 0x0000;
  can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF << 5; // 掩码高16位（全1表示严格匹配）
  can_filter_st.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  
  can_filter_st.FilterBank = 0; // 使用第0个滤波器组
  can_filter_st.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0; // 匹配的报文存入FIFO0
  if(HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &can_filter_st) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

滤波器配置说明：

屏蔽位模式：FilterId是目标ID，FilterMaskId是掩码，掩码为1的位必须严格匹配，为0的位可忽略；
列表模式：FilterId是需要匹配的ID列表，只有完全匹配的ID才会被接收；
32位/16位模式：32位模式可同时过滤标准帧和扩展帧，16位模式适合单独过滤。

（3）发送函数：`CAN_Send_Message()`

封装发送流程，填充报文并启动发送：

c 复制代码

uint8_t CAN_Send_Message(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len)
{
  CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;
  uint8_t tx_mailbox; // 存储使用的发送邮箱编号
  
  // 配置发送头部
  tx_header.StdId = id; // 标准ID
  tx_header.ExtId = 0; // 扩展ID（不使用）
  tx_header.RTR = CAN_RTR_DATA; // 数据帧
  tx_header.IDE = CAN_ID_STD; // 标准帧
  tx_header.DLC = len; // 数据长度（0~8）
  tx_header.TransmitGlobalTime = DISABLE;
  
  // 等待发送邮箱空闲
  if(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) == 0)
  {
    return 1; // 邮箱满，发送失败
  }
  
  // 发送数据
  if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, data, &tx_mailbox) != HAL_OK)
  {
    return 2; // 发送失败
  }
  
  return 0; // 发送成功
}

（4）接收函数：`CAN_Receive_Message()`

从FIFO接收报文（查询方式）：

c 复制代码

uint8_t CAN_Receive_Message(uint32_t *id, uint8_t *data, uint8_t *len)
{
  CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
  
  // 检查FIFO0是否有数据
  if(HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, data) != HAL_OK)
  {
    return 1; // 接收失败
  }
  
  *id = rx_header.StdId; // 获取接收的ID
  *len = rx_header.DLC; // 获取数据长度
  return 0; // 接收成功
}

（5）中断服务函数

若使用中断接收，需实现中断服务函数和回调函数：

c 复制代码

// FIFO0接收中断服务程序
void CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
  HAL_CAN_IRQHandler(&hcan);
}

// 接收回调函数
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
  uint32_t id;
  uint8_t data[8], len;
  
  // 接收数据
  if(CAN_Receive_Message(&id, data, &len) == 0)
  {
    // 处理接收的数据（如打印）
    printf("收到ID:0x%X, 数据:", id);
    for(uint8_t i=0; i<len; i++)
    {
      printf("%02X ", data[i]);
    }
    printf("\r\n");
  }
}

四、实战案例：STM32 CAN节点通信测试

本节通过两个案例（回环测试和双节点通信），验证CAN配置的正确性。

4.1 回环模式测试（单节点）

回环模式下，STM32发送的CAN报文会被自己接收，无需外部节点，适合调试：

步骤1：修改CAN模式为回环

在MX_CAN_Init()中，将hcan.Init.Mode改为CAN_MODE_LOOPBACK。

步骤2：主函数代码

c 复制代码

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init(); // 初始化串口（用于打印信息）
  MX_CAN_Init();
  
  // 配置滤波器
  CAN_Filter_Config();
  
  // 启动CAN
  if(HAL_CAN_Start(&hcan) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  // 使能FIFO0接收中断
  if(HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  uint8_t send_data[8] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88};
  uint8_t send_cnt = 0;
  
  while (1)
  {
    // 每1秒发送一次数据
    if(send_cnt >= 100)
    {
      if(CAN_Send_Message(0x123, send_data, 8) == 0)
      {
        printf("发送成功: ID=0x123, 数据:11 22 33 44 55 66 77 88\r\n");
      }
      else
      {
        printf("发送失败\r\n");
      }
      send_cnt = 0;
    }
    HAL_Delay(10);
    send_cnt++;
  }
}

测试结果

程序运行后，串口会打印"发送成功"和"收到数据"的信息，说明回环通信正常。

4.2 双节点通信（多节点）

准备两个STM32节点（Node A和Node B），配置相同波特率（500kbps），实现双向通信：

Node A：发送ID=0x123的报文，接收ID=0x456的报文；
Node B：发送ID=0x456的报文，接收ID=0x123的报文。

Node A核心代码（发送0x123，接收0x456）

c 复制代码

// 滤波器配置（接收0x456）
can_filter_st.FilterIdHigh = 0x456 <<5;
can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF<<5;

// 主循环发送0x123
while(1)
{
  CAN_Send_Message(0x123, send_data, 8);
  HAL_Delay(1000);
}

Node B核心代码（发送0x456，接收0x123）

c 复制代码

// 滤波器配置（接收0x123）
can_filter_st.FilterIdHigh = 0x123 <<5;
can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF<<5;

// 主循环发送0x456
while(1)
{
  CAN_Send_Message(0x456, send_data, 8);
  HAL_Delay(1000);
}

测试结果

两个节点通过CAN总线连接后，Node A会收到Node B发送的0x456报文，Node B会收到Node A发送的0x123报文，实现双向通信。

五、CAN高级特性：中断、DMA与错误处理

5.1 中断与DMA：提高通信效率

中断方式：适合报文数量少、实时性要求高的场景，接收/发送完成后立即触发中断，CPU及时处理；
DMA方式：适合大量报文传输，通过DMA直接将数据搬运到内存，减少CPU干预（仅部分STM32系列支持，如F4）。

中断配置补充：除了接收FIFO中断，还可配置以下中断：

CAN_IT_TX_MAILBOX_EMPTY：发送邮箱空（可用于连续发送）；
CAN_IT_ERROR：总线错误（用于错误处理）；
CAN_IT_WAKEUP：休眠唤醒（低功耗场景）。

5.2 CAN错误处理：保证总线可靠性

CAN控制器会检测总线错误，并根据错误计数进入不同状态：

主动错误状态：错误较少，可正常发送错误帧，通知其他节点；
被动错误状态：错误较多，只能接收，发送前需等待总线空闲；
总线关闭状态 ：错误严重，无法参与通信，需软件复位（HAL_CAN_ResetError）恢复。

错误处理示例：

c 复制代码

void CAN_Error_Handler(void)
{
  if((hcan.Instance->ESR & CAN_ESR_BOFF) != 0) // 检测到总线关闭
  {
    printf("CAN总线关闭，尝试恢复...\r\n");
    HAL_CAN_ResetError(&hcan); // 复位错误状态
    HAL_CAN_Start(&hcan); // 重新启动CAN
  }
}

// 在主循环中定期检查
while(1)
{
  if(HAL_CAN_GetError(&hcan) != HAL_CAN_ERROR_NONE)
  {
    CAN_Error_Handler();
  }
  // ... 其他代码 ...
}

六、常见问题与解决方案：避坑指南

6.1 通信失败：波特率不匹配

现象：发送报文后，接收方收不到，或收到乱码。

原因：

两个节点的波特率计算错误，导致时钟不同步；
位时序参数（BS1、BS2、SJW）配置不一致。

解决方案：

重新计算波特率：确保APB1时钟 / (Prescaler × (SJW+BS1+BS2))在两个节点完全一致；
推荐位时序参数：对于500kbps，可使用Prescaler=6, SJW=1, BS1=8, BS2=3（总TQ=12，36MHz/6/12=500kbps）。

6.2 接收不到报文：滤波器配置错误

现象：总线有数据，但本节点收不到。

原因：

滤波器未使能（FilterActivation=DISABLE）；
滤波器ID或掩码配置错误，目标ID被过滤；
FIFO溢出（报文过多未及时处理，导致新报文被丢弃）。

解决方案：

检查滤波器使能状态，确保FilterActivation=ENABLE；
用回环模式测试滤波器：发送目标ID，若能收到，说明滤波器配置正确；
及时处理FIFO数据，避免溢出（可增加FIFO满中断）。

6.3 总线错误：硬件或接线问题

现象：频繁进入总线错误状态，甚至总线关闭。

原因：

CAN_H和CAN_L接反或短路；
终端电阻缺失或阻值错误（应为120Ω）；
总线长度过长，超出对应波特率的最大距离；
电源干扰（未接地或纹波过大）。

解决方案：

用万用表检查CAN_H和CAN_L是否短路，接线是否正确；
确保总线两端各接一个120Ω终端电阻；
降低波特率（如从1Mbps降为500kbps），延长传输距离；
加强电源滤波，确保接地良好。

七、扩展

CAN FD：支持更高数据速率（8Mbps）和更长数据帧（64字节），适合大数据量传输；
CANopen协议：在CAN基础上的高层协议，定义了标准化的通信对象和设备模型；
多节点网络管理：学习如何设计CAN网络的ID分配、优先级规划和故障诊断。

掌握STM32 CAN通信，能为工业控制、汽车电子等领域的开发打下坚实基础------这是嵌入式工程师进阶的重要技能。建议结合实际硬件多做测试，尤其是滤波器配置和错误处理，才能真正理解CAN总线的精髓。

STM32中的CAN总线详解：从原理到实战

前言：为什么CAN总线是嵌入式通信的"硬通货"？

一、CAN总线基础：为什么它能在恶劣环境中可靠通信？

1.1 CAN总线的核心优势

1.2 CAN总线的基本概念

（1）帧结构：CAN数据的"包装格式"

（2）位时序：如何保证不同节点的同步？

1.3 CAN节点的硬件组成

二、STM32的CAN外设：bxCAN控制器的强大之处

2.1 bxCAN控制器的核心特性

2.2 bxCAN的硬件结构

（1）发送部分：3个发送邮箱

（2）接收部分：2个FIFO + 14个滤波器

（3）波特率发生器

三、STM32 CAN配置步骤：从CubeMX到代码实现

3.1 硬件准备

3.2 CubeMX配置步骤

步骤1：新建工程，选择芯片

步骤2：配置时钟树

步骤3：配置CAN外设

步骤4：配置中断（可选）

步骤5：生成代码

3.3 HAL库CAN核心函数解析

（1）初始化函数：MX_CAN_Init()

（2）滤波器配置函数：CAN_Filter_Config()

（3）发送函数：CAN_Send_Message()

（4）接收函数：CAN_Receive_Message()

（5）中断服务函数

四、实战案例：STM32 CAN节点通信测试

4.1 回环模式测试（单节点）

步骤1：修改CAN模式为回环

步骤2：主函数代码

测试结果

4.2 双节点通信（多节点）

Node A核心代码（发送0x123，接收0x456）

Node B核心代码（发送0x456，接收0x123）

测试结果

五、CAN高级特性：中断、DMA与错误处理

5.1 中断与DMA：提高通信效率

5.2 CAN错误处理：保证总线可靠性

六、常见问题与解决方案：避坑指南

6.1 通信失败：波特率不匹配

6.2 接收不到报文：滤波器配置错误

6.3 总线错误：硬件或接线问题

七、扩展

（1）初始化函数：`MX_CAN_Init()`

（2）滤波器配置函数：`CAN_Filter_Config()`

（3）发送函数：`CAN_Send_Message()`

（4）接收函数：`CAN_Receive_Message()`