汽车里的“神经网络”——CAN总线科普

一、CAN 是什么？

1986 年由博世发明，最初是为了解决汽车里线束太多太乱的问题。后来扩展到机器人、工业、医疗等领域。

一句话总结：让多个单片机用两根线互相聊天的协议

CAN = 两根线 + 差分信号 + ID 仲裁 + 8 字节数据 + 超强抗干扰

二、CAN 总线特征

CAN总线的特征从硬件和软件层来说可以简要分为以下几点：

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| 层面 | 特征 | 解释 |
| 硬件层（电气传输、抗干扰、布线与终端、速率距离边界、保护/隔离/低功耗） | 差分信号 | 抗干扰能力强，CAN_H 和 CAN_L 两根线，电压一高一低，信号就是CAN_H 和CAN_L的电压差，外界干扰同时影响两根线，相减后干扰抵消，所以汽车/工厂这种电磁环境恶劣的地方也能稳定通讯 |
| 硬件层（电气传输、抗干扰、布线与终端、速率距离边界、保护/隔离/低功耗） | 速率与距离/线缆电容存在硬约束 | 速率越高允许的线长越短；线缆阻抗、电容、节点数、支线长度都会影响波形与采样点可靠性 |
| 硬件层（电气传输、抗干扰、布线与终端、速率距离边界、保护/隔离/低功耗） | 总线拓扑与终端匹配要求明确 * | 典型为线型总线（干线+短支线），两端各 120Ω 终端电阻进行阻抗匹配，减少反射，保证信号完整性 |
| 硬件层（电气传输、抗干扰、布线与终端、速率距离边界、保护/隔离/低功耗） | 收发器决定电气性能与保护能力 | 包括显性/隐性电平驱动能力、共模范围、ESD/浪涌保护、短路保护、欠压保护等 |
| 硬件层（电气传输、抗干扰、布线与终端、速率距离边界、保护/隔离/低功耗） | 可选的低功耗与唤醒能力（取决于器件） | 一些收发器支持 Sleep/Standby、总线唤醒，适合车载低功耗系统 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 多主结构 | 任何节点都能主动发，不需要"主机" |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 非破坏式仲裁（优先级抢占） | 多节点同时发送时按位仲裁：ID 数值小的优先级高，优先级高的帧赢得总线，其它节点自动停止并稍后重发；获胜帧不被破坏，实时性好 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 广播通信 + 基于标识符的"内容寻址" | 报文按 ID（标识符）来定义"这是什么数据/优先级"，而不是"发给谁"。所有节点都能接收，再由硬件滤波决定是否处理 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 硬件过滤与接收队列（提高效率） | 控制器通常提供 Acceptance Filter/Mask，把不关心的 ID 在硬件层丢掉，可减少 MCU 中断负担 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 位时序可配置但对一致性敏感 | 软件需要配置波特率与采样点（如 Prop/Phase 段、SJW 等概念在控制器里体现）；网络中各节点必须匹配，否则误码上升 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 帧类型与载荷限制由协议定义 | 经典 CAN：数据域最多 8 Byte；CAN FD：可到 64 Byte，并可在数据段切换更高比特率（前提是全网支持）。 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 上层协议多样（应用层"怎么用"由软件决定） | 常见如 CANopen、J1939、UDS、自定义信号协议等；这些决定了"分包、心跳、网络管理、诊断服务"等行为。 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 完备的错误检测 | 内置 5 种错误检测机制（CRC校验、帧格式检查、ACK检查、位填充检查、位监控），理论错误率：< 10-11 |
| 软件层（消息组织与优先级（ID）、仲裁、错误处理、过滤、位时序配置、上层协议与应用语义） | 故障隔离 | 每个节点有两个错误计数器： TEC（发送错误计数）、 REC（接收错误计数）、状态机：正常(Error Active) → 错误多了 → 被动(Error Passive) → 再多 → 离线(Bus Off)进入 Bus Off 后： 该节点停止发送，不会拖累整条总线，其他节点正常工作，一个坏节点不会搞垮整个系统 |

简单来说，CAN 总线最重要的特点就是多主广播通信 ：任何节点都能发消息，消息用 ID 表达"内容与优先级"，全网接收后按过滤处理。同时它通过非破坏性仲裁 + 完整的错误检测/隔离机制保证在复杂电磁环境下仍具备较好的实时性与可靠性，这几个特点正是它在汽车电子领域长期长盛不衰的关键原因。

三、 硬件怎么接？

原理图来源正点原子用户手册

基本组成：

• MCU/控制器：带 CAN 控制器外设（或外置 CAN 控制器如 MCP2515）
• CAN 收发器（Transceiver） ：把 MCU 的 TXD/RXD 转成总线差分 CANH/CANL（如 TJA1050、SN65HVD230、TJA1042 等）
• 总线线缆：双绞线（CANH/CANL），必要时带屏蔽

硬件布线关键点：

• 总线"物理两端"各并一个120Ω****， 跨接在 CANH 和 CANL 之间，尽量不要每个节点都上 120Ω，断电后用万用表量 CANH-CANL：两端都正确上 120Ω 时，整网等效约 60Ω
• CANH/CANL 不要对调（对调通常直接不通或错误率极高）
• 优先用干线型（线型）拓扑 ，支线（stub）尽量短 ，双绞线走 CANH/CANL，必要时屏蔽层按规范接地（看整车/工控接地策略）

• 收发器常有 STB（待机/使能）、SILENT、RS（斜率控制）等脚，确保处于正常工作模式，否则会"收得到发不出/发不出去"

四、 软件怎么通信？

硬件是 CAN 通信的物理基础（控制器、收发器、总线布线），但要实现数据交互，核心是通过代码配置 MCU 的 CAN 控制器外设，让其与总线的通信规则（波特率、帧格式等）匹配。简单来说：

• 硬件解决 "信号怎么传" 的物理层问题；
• 软件解决 "传什么数据、怎么识别数据" 的协议层 / 应用层问题；
• 软件配置的前提是：硬件布线正确（120Ω 终端、CANH/CANL 极性、拓扑结构），收发器处于正常工作模式（STB 脚不待机）

我们以最常用的GD32F303 MCU 为例 提供一份完整的 CAN 基础配置代码，覆盖 "GPIO 初始化→CAN 控制器配置→过滤器配置→报文收发" 核心流程，新手可直接复用

void can0_init(void)
{
    can_parameter_struct can_param;

    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_12);
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_11);

    can_deinit(CAN0);
    can_struct_para_init(CAN_INIT_STRUCT, &can_param);

    //参数设置
    can_param.time_triggered        = DISABLE;
    can_param.auto_bus_off_recovery = ENABLE;  //自动总线离线恢复
    can_param.auto_wake_up          = DISABLE;
    can_param.no_auto_retrans       = DISABLE;  //启用自动重传
    can_param.rec_fifo_overwrite    = DISABLE;
    can_param.trans_fifo_order      = ENABLE; // 按先入先出（FIFO） 顺序发送

    //CAN通信模式：静默（Silent）；回环（Loopback）；回环静默（Loopback and Silent）；正常（Normal）
    can_param.working_mode = CAN_NORMAL_MODE; 

    //波特率设置  波特率 = CAN时钟 / (预分频器 × (1 + BS1 + BS2)) 
    //采样点设置  采样点位置 = (1 + BS1) / (1 + BS1 + BS2) 对应本篇配置就是 (1+8)/(1+8+3) = 75% (推荐在75%-87.5%之间)
    can_param.resync_jump_width = CAN_BT_SJW_1TQ;
    can_param.time_segment_1    = CAN_BT_BS1_8TQ; 
    can_param.time_segment_2    = CAN_BT_BS2_3TQ;
    can_param.prescaler         = 10; //分频系数 //60MHz / 10 / (1+8+3) = 500kbps

    can_init(CAN0, &can_param);

    //硬件过滤器设置
    can_filter_parameter_struct filter;

    filter.filter_number      = 0;
    filter.filter_mode        = CAN_FILTERMODE_MASK;
    filter.filter_bits        = CAN_FILTERBITS_32BIT;
    filter.filter_list_high   = 0x0000; 
    filter.filter_list_low    = 0x0000;
    filter.filter_mask_high   = 0x0000;
    filter.filter_mask_low    = 0x0000;
    filter.filter_fifo_number = CAN_FIFO0;
    filter.filter_enable      = ENABLE;

    can_filter_init(&filter);

    can_interrupt_enable(CAN0, CAN_INTEN_RFNEIE0);
    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);
    nvic_irq_enable(CAN0_RX0_IRQn, 1U, 0U);
}

int can_send_standard_frame(uint32_t can_id, uint8_t* data, uint8_t data_len)
{
    can_trasnmit_message_struct tx_message = { can_id, 0, CAN_FF_STANDARD, CAN_FT_DATA, 0, { 0 } };

    if (data == NULL || data_len > sizeof(tx_message.tx_data)) {
        return -1;
    }

    can_struct_para_init(CAN_TX_MESSAGE_STRUCT, &tx_message);
    tx_message.tx_sfid = can_id;
    tx_message.tx_dlen = data_len;
    memcpy(tx_message.tx_data, data, data_len);
    
    return can_message_transmit(CAN0, &tx_message);
}

/* 中断接收 */
void CAN0_RX_IRQHANDLER(void)
{
    can_receive_message_struct rx_message;
    
    // 检查FIFO0是否有消息
    if (can_receive_message_length_get(CAN0, CAN_FIFO0) > 0) {
        
        // 从FIFO0读取消息
        can_message_receive(CAN0, CAN_FIFO0, &rx_message);
        
        // 处理接收到的数据
        can_receive_handler(&rx_message);
    }
}

/* 发送示例 */
void can_send_example(void)
{
    uint8_t data[8] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08};
    
    // 发送ID=0x123的消息，数据长度8字节
    can_send_standard_frame(0x123, data, 8);
}

/* 接收处理示例 */
void can_receive_handler(can_receive_message_struct *rx_msg)
{
    uint32_t id;
    uint8_t  len;
    uint8_t  data[8];
    
    // 提取ID
    if (rx_msg->rx_ff == CAN_FF_STANDARD) {
        id = rx_msg->rx_sfid;  // 标准帧ID
    } else {
        id = rx_msg->rx_efid;  // 扩展帧ID
    }
    len = rx_msg->rx_dlen;
    
    // 提取数据
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = rx_msg->rx_data[i];
    }
    // 根据ID处理不同的消息
    switch (id) {
    case 0x100:
        // 处理ID=0x100的消息
        motor_control_handler(data, len); 根据实际情况换成自己的函数
        break;
    case 0x200:
        // 处理ID=0x200的消息
        break;
    default:
        break;
    }
}

五、 常见踩坑&调试技巧

常见踩坑：

硬件层：

• 终端电阻配置错误------通信时断时续、错误帧频繁出现、波形反射严重
• CANH/CANL接反 ------ 完全无法通信 、示波器看到反向
• 收发器供电及MCU供电问题------节点掉线、通信不稳定
• 收发器未使能（STB引脚）------ 能接收，不能发送或者完全不工作

软件层：

• 波特率不一致------ 完全收不到
• 滤波器配置错误------发送正常，接收不到数据或者只能收到部分消息
• 中断未配置或优先级过低------中断函数不执行、丢帧严重
• ID冲突------错误计数飙升，进Bus off
• 发送邮箱满------can_message_transmit() 返回 CAN_NOMAILBOX，发送失败
• FIFO溢出------丢失接收数据、FIFO溢出标志置位

🛠️调试技巧：

• 环回模式自测：不需要外部总线，MCU自己发自己收
• 示波器：看差分波形（正常 2~3V 摆幅）
• CAN 分析仪：抓包看 ID 和数据（PCAN、CANoe）
• 错误计数器：TEC/REC 超过 128 就要注意了