Cortex-M3-STM32F1 开发：（五十四）CAN（车企会用），难但很重要

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CAN（车企会用）
- 1）简介
- - [1.1）CAN 总线拓扑图](#1.1）CAN 总线拓扑图)
  - 1.2）特点
- 2）物理层
- 3）协议层
- - 3.1）数据帧
  - 3.2）位时序
  - 3.3）位时序的同步
  - - [① 硬件同步（用于帧起始位）](#① 硬件同步（用于帧起始位）)
    - [② 再同步（用于普通数据位）](#② 再同步（用于普通数据位）)
    - [③ 位时序同步的总结](#③ 位时序同步的总结)
  - [3.4）CAN 总线仲裁](#3.4）CAN 总线仲裁)
- [4）控制器（只介绍 STM32 搭载的）](#4）控制器（只介绍 STM32 搭载的）)
- - 4.1）控制器介绍
  - 4.2）控制器模式
  - - [① 工作模式](#① 工作模式)
    - [② 测试模式](#② 测试模式)
  - 4.3）控制器框图
  - 4.4）发送处理
  - 4.5）接收处理
  - 4.6）接收过滤器
  - [4.7）STM32 的 CAN 位时序与波特率](#4.7）STM32 的 CAN 位时序与波特率)

CAN（车企会用）

CAN in Automation(CiA) 官网。

CAN 总线结构其实和 USB 很类似，内部都是 TX 和 RX ，通过对应的芯片电路将传输信号改成差分信号，也有点类似 RS485 。但是 CAN 总线的通信方式又和 IIC 类似。

CAN 总线通常用于 MCU 级的通信。

1）简介

CAN（Controller Area Network），是 ISO 国际标准化的 串行通信协议，使用差分信号传输，半双工 。制定目的是：为了满足汽车产业的"减少线束的数量"、"通过多个 LAN ，进行大量数据的高速通信"的需求。CAN 的发展史如下：

低速 CAN（ISO11519）通信速率 10~125Kbps ，总线长度可达 1000 米
高速 CAN （ISO11898）通信速率 125Kbps~1Mbps ，总线长度 ≤40 米【也被叫做 经典 CAN】
CAN FD 通信速率可达 5Mbps ，并且兼容经典 CAN ，遵循 ISO11898-1 做数据收发

1.1）CAN 总线拓扑图

CAN 总线由两根线（CANL 和 CANH）组成，允许挂载多个设备节点，每个节点都有自己的 CAN 控制器（通常是节点自己的 MCU）和 CAN 收发器，都有自己的时钟源（低速 CAN：能挂20个，高速 CAN：能挂30个）。但 CAN 总线是半双工，同一时间只有一个节点发送数据。

通讯流程大概是（结合下面物理层的说明再看）： MCU 通过控制器连接 CAN 收发器，从 TX 线告诉 CAN 收发器要发高电平还是低电平，然后 CAN 收发器将其转换成差分信号发送到 CAN 总线上，接收的话是 CAN 收发器读取 CAN 总线上的差分信号，然后从 RX 线告诉 CAN 控制器收到的是高电平还是低电平。

P.S.： CAN 设计最厉害的地方之一就是：没有公共时钟、每个节点时钟都有误差，却依然可以稳定同步通信。

低速和高速 CAN 的结构中最后的黑色电阻是：终端电阻，用于阻抗匹配，以减少回波反射，增强稳定性。结构差异和芯片电路差异决定了两者的功能差异。

1.2）特点

多主控制：每个设备都可以主动发送数据
系统的柔软性：没有类似地址的信息，添加设备不改变原来总线的状态，但是有ID
通信速度：速度快，距离远
具有错误检测&错误通知&错误恢复功能
故障封闭：可以判断故障类型，并且进行隔离
连接节点多：用户可根据速度与数量找到平衡

CAN 总线协议已广泛应用在汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

2）物理层

CAN 使用差分信号进行数据传输，根据 CAN_H 和 CAN_L 上的电位差来判断总线电平（类似 USB ）。

总线电平分为 显性电平（dominant，D，逻辑0） 和 隐性电平（recessive，R，逻辑1） ，二者必居其一，显性电平（0）具有优先权，相当于线与逻辑（0&1/0=0，1&1=1） （当多个节点同时向总线发送数据时，就会发生"位竞争"，无论有多少个节点在发送隐性电平，只要有一个节点发送显性电平，总线上的物理电平就是显性电平0）。

发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方（类似 IIC ）。

高速 CAN 和低速 CAN 的电平逻辑如下：

电平	高速 CAN	低速 CAN	总线表现
显性电平（0）	U C A N _ H -- U C A N _ L = 2 V U_{CAN\H}~--~U{CAN\_L}= 2V UCAN_H -- UCAN_L=2V	U C A N _ H -- U C A N _ L = 3 V U_{CAN\H}~--~U{CAN\_L}= 3V UCAN_H -- UCAN_L=3V	拉高 CAN_H，拉低 CAN_L，程度不一样
隐性电平（1）	U C A N _ H -- U C A N _ L = 0 V U_{CAN\H}~--~U{CAN\_L}= 0V UCAN_H -- UCAN_L=0V	U C A N _ H -- U C A N _ L = − 1.5 V U_{CAN\H}~--~U{CAN\_L}= -1.5V UCAN_H -- UCAN_L=−1.5V	拉低 CAN_H，拉高 CAN_L，程度不一样

常用的 CAN 收发器芯片有：TJA1050、TJA1042、SIT1050T，SIT1050T 支持高速 CAN ，传输速率可达 1Mbps ，正点原子就用的这个。

正点原子的 STM32F103ZET6 战舰板上的 CAN 收发器芯片如下：

引脚信息如下：

D：CAN 发送引脚
R：CAN 接收引脚
Vref：参考电压输出，默认悬空
CANL：低电位 CAN_L 电压输入输出端
CANH：高电位 CAN_H 电压输入输出端
RS：高速 / 静音模式选择（低电平为高速）

这个匹配电阻看实际场景，串联的 CAN 设备，开头和结尾的设备加匹配电阻，中间的不要加。

3）协议层

CAN 总线依赖 分布式时钟 + 边沿驱动同步 机制，每个节点都需要有自己的时钟源。

CAN 总线以"帧"形式进行通信。CAN 协议定义了 5 种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

这 5 种帧的描述如下表：

帧类型	帧作用
数据帧（Data Frame）	用于发送单元向接收单元传输数据的帧
遥控帧（Remote Frame）	用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧
错误帧（Error Frame）	用于当检测出错误时，向其他单元通知错误的帧
过载帧（Overload Frame）	用于接收单元通知其他帧：自己尚未做好接收准备的帧
间隔帧（Inter Frame Space）	用于将数据帧、遥控帧与前面的帧分离开来的帧

（ID下面解释）

3.1）数据帧

也叫做报文，后面都称呼为报文

数据帧由 7 段组成。数据帧又分为标准帧（CAN2.0A协议）和扩展帧（CAN2.0B协议），扩展帧是在标准帧的基础上增加了更多的标识符位，以支持更大的地址空间。主要体现在仲裁段和控制段，帧结构如下（图中的数字表示位数）：

① 各个段的作用及内部构成如下（标准帧）：

帧起始： 表示数据帧开始的段，显性信号
- SOF --- 1位 （Start of Frame）：是一个 显性位（必须为逻辑0），这个显性电平（逻辑 0）是帧起始的"有效触发信号" ------ 所有节点通过检测总线从 隐性（空闲态，逻辑 1）→ 显性（逻辑 0）的下降沿跳变 来识别帧的开始并同步时序。
仲裁段： 表示该帧优先级的段
- ID --- 11位 （Identifier）：这是报文的优先级标识。在仲裁段，ID 值越小，优先级越高，用于多节点间的仲裁，可以当地址用，但不是地址。
- RTR --- 1位 （Remote Transmission Request）：远程传输请求位
  - 0：表示这是一个数据帧（Data Frame），后面跟着数据段。
  - 1：表示这是一个遥控帧（Remote Frame），它不携带数据（没有数据段），而是请求具有相同 ID 的节点发送数据。
控制段： 表示数据的字节数及保留位的段
- IDE --- 1位 （Identifier Extension）：标识符扩展位，用于决定此帧是标准数据帧还是扩展数据帧
  - 0：表示这是一个标准帧 （Standard Frame），使用 11 位 ID（范围是 0~0x7FF）。
  - 1：表示这是一个扩展帧 （Extended Frame），使用 29 位 ID（11位 + 18位，这 29 位整体叫做扩展 ID ，范围是 0~0x1FFF FFFF）。
- RO --- 1位 （Reserved Bit）：保留位，必须为隐性（逻辑1）。未来可能用于新功能。
- DLC --- 4位（Data Length Code）：数据长度码，指明数据段中包含的数据字节数。DLC 十进制取值范围是 0~8（0000~1000），表示数据段的数据长度可以是 0~8 个字节（0~64位）。例如 DLC=5 表示有 5 个字节的数据。
数据段： 数据的内容，一帧可发送 0~8 字节数据
- Data Field --- 0~64位：实际要传输的数据内容。长度由 DLC 决定。
CRC段： 检查帧的传输错误的段
- CRC --- 15位（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验码，用于检测帧中从 SOF 到 CRC 段之前的所有位是否发生错误。接收方会重新计算 CRC 并与接收到的 CRC 进行比较。
- DEL --- 1位 （Delimiter）：分隔符，一个隐性位（逻辑 1 ），用于分隔 CRC 段和 ACK 段。
ACK段： 表示确认正常接收的段
- ACK --- 1位（Acknowledgment）：应答位，发送方在 ACK 段的时序内发送一个隐性位（逻辑1）后，正确接收并校验无误的接收方会在该位上发送一个显性位（逻辑0）作为应答（ACK），表示"我收到了"。
- DEL --- 1位 （Delimiter）：分隔符，一个隐性位（逻辑 1 ），用于分隔 ACK 段和 EOF 段。
帧结束： 表示数据帧结束的段，7个隐性信号
- EOF --- 7位（End of Frame）：由 7 个连续的隐性位组成（1111111），标志着一个 CAN 帧的结束。

② 扩展帧的仲裁段和控制段：

......同标准帧......
仲裁段： 表示该帧优先级的段
- ID --- 11位（Identifier）：......同标准帧......
- SRR --- 1位 （Substitute Remote Request）：替代远程请求位，始终为隐性位（逻辑1），它的存在是为了保持帧结构的对齐和一致性。
- IDE --- 1位 （Identifier Extension）：标识符扩展位，在扩展帧中，此位为显性位（逻辑0），明确指示这是一个扩展帧。
- Extended Identifier --- 18位：扩展标识符，这是 29 位 ID 中的低 18 位，与前面的 11 位 ID 共同构成完整的 29 位标识符。
- RTR --- 1位（Remote Transmission Request）：......同标准帧......
控制段： 表示数据的字节数及保留位的段
- RO --- 1位（Reserved Bit）：......同标准帧......
- RO --- 1位（Reserved Bit）：......同标准帧......两个 RO 位，这是为了保持与标准帧的控制段长度一致，方便硬件设计。
- DLC --- 4位（Data Length Code）：......同标准帧......
......同标准帧......

③ 有关应答过程的描述（ACK 位的变化）：

CAN 总线没有独立的回复帧，回复是在发送的那个数据帧中的 ACK 段的时序内完成的。正确机制（ CAN 协议规定）如下：

发送方行为：

在 ACK 位时段内，发送方主动将总线驱动为隐性电平（逻辑1） ，但同时持续监听总线实际电平（发送与监听同步进行）。
接收方行为：

所有正确接收且 CRC 校验无误的节点，在同一时刻（ ACK 位时段）将总线强制驱动为显性电平（逻辑0）。
总线结果：

由于显性电平（0）具有物理层优先权，只要 至少有一个 接收节点发送显性位，总线电平即被"覆盖"为显性（0）。
发送方判断：
- 若监听到 ACK 位时段内总线为 显性（0） → 应答成功（至少一个节点正确接收）
- 若监听到 ACK 位时段内总线仍为 隐性（1） → 应答失败（无节点应答，触发错误处理）

3.2）位时序

CAN 总线以 "位同步" 机制实现对电平的正确采样（和其他通信协议很不同）。

先简单说一下：

CAN 总线上有节点发出帧起始信号了，其余节点会自动对齐，利用自身的时钟源建立时序，并对总线电平进行采样，后续过程中会不断调整自身时序，来对齐 CAN 总线上的数据位信号（位同步），从而采样到可靠的位电平（总线只管传输信号，接收节点要自己对齐数据位去采样）。

详细解释如下：

CAN 总线上时序信号不是一直存在的，没有节点发数据时，就处于空闲状态，此时总线电平是隐性电平（逻辑 1 ），此时所有节点都在监听。当某个节点要发送数据帧（或其他功能帧）时，会先发出 SOF 信号（帧起始位），总线会从隐性（逻辑1）变成显性（逻辑0），此时其余节点检测到总线从隐性→显性跳变时，就会依赖自身（本地）的时钟源，立即重置自身（本地）时序，将当前时刻定义为 新位周期的 SS 段起点（无论之前计时到哪），那么这些节点就做到了 "听到预备的口令，自行占到了同一起跑线上" ......

（一脸懵的话，跳转到 "3.3.1）位时序和同步的总结"，先大概了解以下整个过程）

...... 而这个位周期、SS 段的解释如下 ......

CAN 控制器（发送方/接收方）将 每个位的时间周期 划分为四段：同步段（SS） 、传播时间段（PTS） 、相位缓冲段1（PBS1） 和 相位缓冲段2（PBS2） ，每段又由多个位时序 Tq 组成，用于同步、补偿延迟、确定采样点（解释：物理层上，每个数据位会以连续、完整的电平持续整个位时间，这个完整的位时间被划分为了四段）。

图解如下：

四个时间段的描述如下：

段	作用	关键说明
SS（Sync Segment）	检测位边沿，用于同步	理想边沿应落在 SS 内；若偏移，触发重同步
PTS（Propagation Segment）	补偿物理延迟（线缆传播+节点延迟），用于 "等待" 信号稳定	长度需 ≥ 最大往返延迟，总线长度越长，此值应越大
PBS1（Phase Buffer Segment 1）	采样点前的缓冲区	采样点通常位于 PBS1 结束处（如位时间75%~87.5%）
PBS2（Phase Buffer Segment 2）	采样点后的缓冲区 + 重同步调整区	重同步时可伸缩（缩短/延长）

Tq (Time Quantum) ：时间量子，是位定时的最小单位（由系统时钟经预分频得到）。
- 电平跳变时间显著短于 1 个 Tq 。
位时间 = SS + PTS + PBS1 + PBS2（单位：Tq）。例如：1 + 3 + 5 + 4 = 13 Tq，根据位时序，可以计算 CAN 通信的波特率。。
采样：在 PBS1 结束时刻（即 SS+PTS+PBS1 处），控制器 单次采样 总线电平，作为该位的逻辑值。

3.3）位时序的同步

只看隐性 → 显性跳变边沿

节点监测到总线上信号的跳变在 SS 段范围内时，则表示节点与总线的时序是同步，此时采样点的电平可代表该位的电平（就是说：采样点的值要有效，跳变电平就必须位于 SS 段内）。但是由于每个节点自身的时钟频率误差、传输上的相位延迟，都会引起偏差。

CAN 为了实现对总线电平信号的正确采样，数据同步分为硬件同步和再同步。

① 硬件同步（用于帧起始位）

所谓硬件同步，就是在 3.2）位时序中 "详细解释如下" 说的，详细解释如下：

当 CAN 总线处于空闲时，每个节点的位时序是一直在循环运行的（比如说 SS(1Tq) → PTS(2Tq) → PBS1(3Tq) → PBS2(3Tq) → SS(1Tq) → ......），此时 CAN 总线上有个发送节点发送了帧起始信号（隐性 → 显性的跳变），此时：

当接收节点检测到边沿并不处于它的位时序的 SS 段内 ，那么它会立即：清零当前位时间计数器，把这个边沿 "定义为新的 SS 段起点"，这就叫硬件同步（硬同步）；
当接收节点检测到边沿恰好正处在它的位时序的 SS 段内，也会执行硬件同步，只是效果几乎不会变化。

总结就是： 当节点在空闲状态检测到隐性 → 显性跳变边沿（SOF帧起始信号）时，无论当前位时间处于哪个段，都会立即将该边沿定义为新的 SS 段起点，从而重新对齐位时间。

② 再同步（用于普通数据位）

也叫重同步

当帧起始位和接收节点位时序的 SS 段对齐之后，该节点就会持续循环四段位时序，并始终检查后续 每一个隐性 → 显性边沿 是否处于对应位周期的 SS 段内。即使接收节点对齐了发送节点的帧起始位，但是节点之间时钟频率的差异，仍会导致后续普通数据位的错位，因此有了 "再同步"。

再同步是利用普通数据位的边沿信号进行同步。情况分为两种：超前和滞后（边沿信号相对于 SS 段，即边沿信号超前或滞后）。

超前： 边沿信号位于接收节点的 PBS2 时段内
- 描述： 边沿信号在 PBS2 时段内，也就是在下一个位时序的 SS 段前面不远处。可以理解为：上一个边沿信号过去之后，位时序还没来得及跑到新的 SS 段，新的边沿信号就来了（边沿信号有点快了，总是超前）。
- 同步调整方式： 接收节点会减少当前位周期中 PBS2 时段的长度，超前多少就减少多少，比如说距离下一个 SS 段还有 2Tq，那就将 PBS2 减少 2Tq 。
- 举例：
滞后： 边沿信号位于接收节点的 PTS+PBS1 时间段内
- 描述： 边沿信号在 PTS+PBS1 时段内，也就是在当前位时序的 SS 段后面不远处。可以理解为：上一个边沿信号过去之后，位时序已经跑到新的 SS 段后面一点了，新的边沿信号才来（边沿信号有点慢了，总是滞后）。
- 同步调整方式： 接收节点会增加当前位周期中 PBS1 时段的长度，滞后多少就增加多少，比如说距离本周期的 SS 段已经过去 2Tq，那就将 PBS1 增加 2Tq 。
- 举例：

（这个超前和滞后是有规定的，可以有多种理解，但是一般都按照上述理解来遵循）

同步调整中，增加或减少的长度（Tq个数）的最大值被叫做 SJW（再同步补偿宽度，单位是 Tq） ，其范围一般是为：1~4 Tq 。限定了 SJW 的最大值后，再同步时，就不能增加或减少超过 SJW 最大值的长度，当误差大于 SJW 最大值时，就会产生错误。

SJW 值较大时，吸收误差能力更强，但是通讯速度会下降。

③ 位时序同步的总结

CAN 位同步的本质是------每个节点以总线边沿为参考，动态校准自身位时序 。硬同步实现帧级对齐，再同步实现位级微调，共同保障在噪声/时钟漂移环境下，所有节点能在精确的采样点读取总线电平。这是CAN高可靠性的物理层基石。

同步机制全流程（以接收节点视角）：

空闲监测
- 节点持续检测总线是否连续 7 个隐性位（EOF 后空闲）。
- 各节点的位时序发生器处于"待机"状态，自由推进四段计时。
帧起始（SOF）→ 硬同步
- 检测到隐性→显性跳变（SOF 下降沿）。
- 立即重置本地时序 ：将当前时刻定义为 新位周期的 SS 段起点（无论之前计时到哪）。
- 效果：所有节点在 SOF 边沿实现"起跑线对齐"。
后续每位 → 重同步（动态微调）
- 节点按预设四段推进时序（例如：SS=1Tq，PTS=2Tq，PBS1=6Tq，PBS2=4Tq）。
- 在 SS 段预期窗口内监测边沿：
  - ✅ 边沿落在 SS 内 → 无需调整，按原定时推进。

⚠️ 边沿提前（早于 SS 起点）→ 缩短 PBS1（下一位总时间减 n Tq）。
- ⚠️ 边沿滞后（晚于 SS 终点）→ 延长 PBS1（下一位总时间加 n Tq）。
调整量受 "再同步跳转宽度 SJW " 限制（通常≤4 Tq），避免过度抖动。
采样点固定：在 PBS1 结束时刻（一般是位时间 75% 处）单次采样电平。

帧结束 → 回归空闲监测
- 检测到 7 个隐性位（EOF）后，停止四段循环，返回步骤 1 。

3.4）CAN 总线仲裁

CAN 总线处于空闲状态时，最先开始发送消息的单元（节点）获得发送权。

多个单元（节点）同时开始发送时，从仲裁段（报文ID）的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送（ID越小的，可优先发送） ，即 首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权变为接收 。

比如有两个单元（节点）同时发送：

竞争失败的单元（节点），在转为接收状态工作之后，会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。

4）控制器（只介绍 STM32 搭载的）

CAN 总线上的每个节点都有独立的控制器，可控制发送与接收

4.1）控制器介绍

STM32 F1/F4/F7 用的 CAN 控制器是 bxCAN ，支持 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active 版本协议（ H7 后来用的是 FDCAN ）。

（bxCAN 是 ST 公司对这种控制器的命名）

CAN 2.0A 只能处理标准数据帧，扩展帧的内容会识别错误，而 CAN 2.0B Active 可以处理标准数据帧和扩展数据帧。另一种协议 CAN 2.0B Passive 只能处理标准数据帧，扩展帧的内容会忽略。所以一般都用 CAN 2.0B Active 。

bxCAN 主要特点：

波特率最高可达 1M bps（取决于具体型号和时钟配置）
支持时间触发通信（CAN 的硬件内部定时器可以在 TX/RX 的帧起始位的采样点位置生成时间戳）
- bxCAN 内部有一个 16 位自由运行的定时器（称为 CAN Time Stamp Timer），它会在每次发送或接收到一帧 CAN 报文的起始位（SOF, Start of Frame）被采样的时刻，自动记录当前定时器的值。
具有 3 级并行发送邮箱
- bxCAN 内部有 3 个独立的发送缓冲区，每个叫一个 "Mailbox"（邮箱）。
- 可以同时把最多 3 帧不同的 CAN 报文写入这 3 个邮箱，硬件会根据 报文 ID 的优先级（CAN 的仲裁机制）自动决定哪个先发，发送完成后，会产生中断或状态标志。3 个邮箱是并行的，优先级由 ID 决定，不是先进先出。
具有 3 级深度的 2 个接收 FIFO
- 接收 FIFO 是 CAN 控制器中用于临时存储接收到的 CAN 报文的一种硬件缓冲结构。先收到的报文，先被读取；后收到的，排在后面。
- bxCAN 有两个独立的接收队列（FIFO0 和 FIFO1），每个 FIFO 最多能缓存 3 帧接收到的报文，那么总共就是 6 个报文。
- 接收到的报文根据过滤器配置，被自动分配到 FIFO0 或 FIFO1，如果某个 FIFO 已满（3 帧未读），再有新帧进来且匹配该 FIFO，就会发生溢出错误（Overrun），新帧会被丢弃。
可变的过滤器组（最多 28 个，也叫筛选器）（ F103 只有 14 个）
- CAN 总线是广播式的，所有节点都能收到所有报文。为了只处理自己关心的消息，bxCAN 提供了 硬件过滤器（Filter Bank）。

4.2）控制器模式

总共有工作模式、测试模式、调试模式，调试模式用的很少，不展开说

① 工作模式

CAN 控制器的工作模式有三种：初始化模式 、正常模式 和 睡眠模式 。

其中英文单词是寄存器的一些标志位。

有关睡眠模式和睡眠唤醒的函数配置后面也暂时不讲。

② 测试模式

CAN 控制器的测试模式有三种：静默模式 、环回模式 和 环回静默模式 。测试模式是在初始化模式下进行配置的。

这些模式通过配置 CAN 控制器的 测试寄存器 来启用，不会影响总线上的其他节点 （尤其在静默类模式下），非常适合在不干扰实际通信的情况下进行软件验证或硬件诊断。

正常模式：节点正常工作的模式
- 描述：可向总线发送或接收数据
- 图解：
静默模式：可用于节点监听统计总线的流量
- 描述：只能向总线发送隐性电平 1 不能发送显性电平 0 ，可从总线接收数据，相当于"只听不说"。用于：
  - 在线监听/总线分析：可监控总线流量，而不会参与仲裁或影响通信。
  - 故障诊断：检测本节点是否因错误帧干扰总线。
- 图解：
环回模式：用于节点自检，但会影响总线
- 描述：发送的数据直接传回到输入（总线可监测数据），不能从总线接收数据。用于：
  - 软件自检：验证 CAN 驱动、发送/接收逻辑、中断处理是否正常。
  - 协议栈测试：在没有外部 CAN 设备的情况下测试应用层逻辑。
  - 开发初期验证：无需连接真实 CAN 网络即可调试代码。
- 图解：
环回静默模式：用于节点自检，不会影响总线
- 描述：发送的数据直接传回到输入（总线不可监测到数据），不能从总线接收数据。用于：
  - 最安全的自检模式：既能测试本机收发逻辑，又绝对保证不干扰外部CAN总线。
  - 适用于在线系统中进行后台自检（例如汽车 ECU 在运行中做健康检查）。
- 图解：

总结如下：

模式	是否驱动总线	是否接收外部报文	发送数据去向	典型用途
正常模式	✅ 是	✅ 是	发送到总线	正常通信
静默模式	❌ 否（不发显性位）	✅ 是	不发送（或仅隐性）	总线监听、嗅探
环回模式	❌ 否（内部环回）	❌ 否（忽略总线）	内部接收FIFO	软件自检、离线测试
环回静默模式	❌ 否	❌ 否	内部接收FIFO	安全自检、在线诊断

4.3）控制器框图

bxCAN 控制器的结构框图主要包含四个部分：

CAN 内核：
- 包含各种控制/状态/配置寄存器，可以配置模式、波特率等
发送邮箱：
- 用来缓存待发送的报文，最多可以缓存 3 个发送报文
接收FIFO：
- 缓存接收到的有效报文，最多可以缓存 6 个接收报文
接收过滤器：
- 筛选有效报文，STM32F103 系列的只有 14 组过滤器

图解如下：

F1 非互联型产品的 CAN 控制器框图如下：

4.4）发送处理

发送报文过程的图解如下：

一个完整发送周期的具体流程如下（先看看流程，寄存器位啥的先不用记住）：

选择空置邮箱
- 含义：在发送前，软件必须先选择一个当前处于"空置状态"的邮箱。
- 如何判断？
  
  通过读取 CAN_TSR 寄存器中的 TME（Transmission Mailbox Empty）位来判断：
  - TME[i] = 1 → 邮箱 i 空闲，可写入
  - TME[i] = 0 → 邮箱 i 正在使用或已挂起
设置 ID/DLC/DATA → 使邮箱退出空置状态
- 操作：软件向选中的邮箱写入：
  - TIDr：标识符（ID）
  - TDTR：数据长度码（DLC）和时间戳
  - TDLr / TDHR：数据内容（8 字节）
- 结果：该邮箱从"空置"变为"非空"，即退出空置状态。
- 硬件行为：CAN 控制器检测到邮箱被填满后，会自动将其加入"待发送列表"。
请求数据发送 → 邮箱会进入挂号状态
- 操作：软件向 CAN_TSR 寄存器的 TXRQ 位写 1，表示"请求发送"。
- 结果：该邮箱进入"挂号状态"（Pending Transmission）。
- 说明："挂号"意味着它已经准备好发送，但还没有开始。
- 此时邮箱不会立即发送，而是等待总线空闲且它成为最高优先级的候选者。
邮箱进入预定发送状态
- 条件：当以下两个条件同时满足时，邮箱进入"预定发送状态"：
  1. 总线进入空闲状态（即没有其他节点正在发送）
  2. 该邮箱中的报文 ID 是当前所有"挂号"邮箱中优先级最高的
    
    发送优先级由邮箱中报文的 ID 决定。ID 数值越低，优先级越高。如果 ID 值相同，邮箱编号小的先被发送（类似DMA，邮箱编号：0，1，2）。
- 结果：该邮箱被调度为下一个发送者，进入"预定发送状态"。
发送状态
- 动作：控制器开始将该邮箱中的报文发送到 CAN 总线上。
  - 过程：
    - 发送 SOF（帧起始）
    - 发送仲裁段（ID）
    - 发送控制段（DLC）
    - 发送数据段
    - 发送 CRC 和 ACK 等
- 状态标志 ：CAN_TSR 中的 TXOK 位会被置 1（表示发送成功），RQCP 位也会置 1（表示请求完成）。
报文被成功发送 → 邮箱返回空置状态
- 条件：报文完整发送完毕，并且未发生错误（无错误中断）。
- 结果：
  - 邮箱恢复为空置状态（TME 位变 1）
    - 可以再次被用于发送新报文
    - 软件可通过查询 TXOK 或中断处理程序知道发送完成

4.5）接收处理

接收报文的图解如下：

一个完整接收周期的具体流程如下（先看看流程，寄存器位啥的先不用记住）：

空置 FIFO
- 含义：FIFO 中没有有效报文，当前为空。
- 标志位 ：CAN_RF0R 寄存器中的 FMP0（Fill Level of FIFO0）位为 0（表示 0 帧）。
- 状态：等待总线上的报文到来并匹配过滤器。
收到有效报文 → FIFO 状态变成挂号_1
- 有效报文：指的是数据帧直到 EOF 段的最后一位都没有错误，且通过过滤器组对标识符过滤。
- 条件：总线上收到一帧 CAN 报文，并且该报文的 ID 通过了配置的过滤器（Filter）。
  - 结果：
    - 该报文被硬件自动存入 FIFO 的第一个位置（最前面）。
    - FIFO 状态变为 "挂号_1"，表示有 1 帧待读。
- 提示：此时可以通过读取 FMP 位知道当前 FIFO 中有多少帧（这里是 1 帧）。例如：FMP0 = 1 → FIFO0 有 1 帧数据。
不读则继续 → 收到有效报文 → 状态变成挂号_2
- 条件：CPU 没有及时读取第一帧报文。
- 后续：又有一帧新的、符合过滤器的报文到达。
- 结果：
  - 新报文被存入 FIFO 的第二个位置。
  - FIFO 状态变为 "挂号_2"，表示有 2 帧待读。
- 注意：FIFO 是先进先出，所以最早进来的在前面。
不读则继续 → 收到有效报文 → 状态变成挂号_3
- 条件：前两帧仍未被读取。
- 后续：第三帧有效报文到达。
  - 结果：
    - 第三帧被存入 FIFO 的第三个位置。
    - FIFO 状态变为 "挂号_3"，表示已满（3 帧）。
- 重要提醒：此时 FIFO 已达到最大容量！

继续收到有效报文，FIFO 已满 → 进入溢出状态

条件：FIFO 已满（3 帧），又有新报文通过过滤器。
- 结果：
  - 发生溢出（Overrun）！
  - 新报文无法存入，会被丢弃。
  - FIFO 状态变为 "溢出状态"。
标志位 ：CAN_RF0R 寄存器中的 RF0O（Receive FIFO 0 Overrun）位被置 1，表示发生了溢出错误。

⚠️ 关键问题 ：丢掉哪个报文？

这取决于是否启用了 FIFO 锁定功能（FIFO Locking Mode）：

是否启用锁定	丢弃规则
❌ 未启用（默认）	丢弃最新的报文（即第4帧） → 保留原来的3帧
✅ 启用	丢弃最旧的报文（即第1帧） → 保留最近的3帧

如果系统要求实时性高，应启用锁定模式，防止"老数据"长期滞留。

出现报文丢失问题 → 读取全部报文 → 返回空置状态
- 操作：CPU 必须尽快读取 FIFO 中的所有报文。
- 读取方式 ：连续调用 HAL_CAN_GetRxMessage() 三次（直到 FMP 变为 0）。
- 结果：
  - 所有报文被清空。
    - FIFO 状态恢复为 "空置状态"。
    - 如果之前发生了溢出，RF0O 位必须由软件清除（通常通过写 1 清除）。

4.6）接收过滤器

在 CAN 总线上，所有节点都能 "听到" 所有的报文（广播式通信）。如果一个节点不加选择地处理每一帧报文，会：占用大量 CPU 时间，增加中断频率，所以需要一个 硬件过滤器 。只让关心的报文进入 FIFO，其他全部丢弃 ------ 这就是 "接收过滤器" 的作用。

STM32F103 系列的只有 14 组过滤器（0~13）。

每个过滤器组都有两个 32 位寄存器 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2（F1中，x=0~13，是过滤器组编号），这俩寄存器都是用来存储报文（数据帧）中的仲裁段信息（ID+IDE+RTR）的。

这两个寄存器所存储的 ID 长度叫做 位宽：可设置为 32 位或 16 位 （位宽决定了所存储的 ID 信息长度）：

32 位： 使用整个 32 位寄存器存储完整的 ID 信息（标准/扩展帧）
16 位： 将 32 位寄存器分成两部分，每部分 16 位，用于存储部分 ID

具体如下：

过滤器组 x	32位（完整包含标准ID的11位 + 扩展ID的18位）	16位（每部分仅包含标准ID的11位 + 扩展ID的高3位）
CAN_FxR1	STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE、RTR	STDID[10:0]、EXTID[17:15]、IDE、RTR
CAN_FxR2	STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE、RTR	STDID[10:0]、EXTID[17:15]、IDE、RTR

每个过滤器组还可以设置 选择模式：屏蔽位模式、标识符列表模式 （选择模式决定了匹配 ID 的方式）：

屏蔽位模式：（"关键词"机制，常用于范围匹配、字段匹配）
- 功能： 可以选择出一组符合某个条件的报文（比如 ID 在某个范围内）
- 寄存器存储内容： 使用 CAN_FxR1 存储 目标 ID （要匹配的值），CAN_FxR2 存储 屏蔽码（Mask）
- 规则： 屏蔽码中为 1 的位 → 必须完全匹配，屏蔽码中为 0 的位 → 任意值都行，满足 (收到的 ID & 屏蔽码) == (目标 ID & 屏蔽码) 才算符合条件。
- 补充： 位宽设置为 16 位的话，一个寄存器的整个 32 位就可以一半用来存储目标 ID ，一半用来存储屏蔽码，相当于虽然关键词变少了（能屏蔽的位少了，更宽泛了），但是能筛选出 2 组符合条件的报文。
标识符列表模式：（"白名单"机制，精确控制哪些 ID 能被接收）
- 功能： 只接收几个特定的 ID 报文（比如只收 0x100 和 0x200）
- 寄存器存储内容： CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 都用来存储 具体的 ID 值
- 规则： 如果 收到的 ID 等于 CAN_FxR1 或 CAN_FxR2 中的任何一个，就算匹配 。
- 补充： 位宽设置为 16 位的话，一个寄存器的整个 32 位就可以存储两个具体 ID，相当于虽然只能规定 16 位的 ID ，但是能筛选出 4 个特定的报文。

✅ 位宽和选择模式的配置共同决定了这一组过滤器的功能。 ✅

具体举例如下：

配置了四组过滤器，各自的配置如下图所示：

以第一组过滤器（位宽：32位，选择模式：屏蔽位模式）为例：

假设过滤器的编号为 0 ，目标 ID 为 0xFFFF0000（11111111111111110000000000000000），屏蔽码为 0xFF00FF00（11111111000000001111111100000000），表示收到的报文的 ID 的位 24~31 和位 8~15 需要和目标 ID 一致，其余位随便。符合条件的报文才能进 FIFO 。

实际使用中，IDE 和 RTR 位其实也是要和目标 ID 一致的。

4.7）STM32 的 CAN 位时序与波特率

前面 3.2）介绍的位时序是制定 CAN 协议的公司规定的，但 ST 公司向来喜欢做一些修改，不过还好只是时间段的合并。

STM32 的 CAN 外设位时序分为三段：同步段 SYNC_SEG（SS） 、时间段1（BS1） 、时间段2（BS2）。其中 BS1=PTS+PBS1 。

注意，上述图片中：

二进制系统中，比特率=波特率；
BRP[9:0] 是分频寄存器值，实际分频系数 = BRP[9:0] + 1；
TS1[3:0] 是位时序控制寄存器中用来设置 BS1 时段的 tq 个数，实际 BS1 时段的 tq 个数 = TS1[3:0] +1；
TS2[2:0] 是位时序控制寄存器中用来设置 BS2 时段的 tq 个数，实际 BS2 时段的 tq 个数 = TS2[2:0] +1；

总结，STM32 中 CAN 通信的波特率计算公式如下：：
波特率 = 1 1 ∗ t q + t q ∗ ( T S 1 [ 3 : 0 ] + 1 ) + t q ∗ ( T S 2 [ 2 : 0 ] + 1 ) \large 波特率=\frac{1}{1*tq+tq∗(TS1[3:0]+1)+tq∗(TS2[2:0]+1)} 波特率=1∗tq+tq∗(TS1[3:0]+1)+tq∗(TS2[2:0]+1)1
通信双方波特率需要一致才能通信成功。

在 STM32F103 系列中，bxCAN1 挂载在 APB1 总线上， t P C L K t_{PCLK} tPCLK（APB1 时钟周期）= 1/APB1时钟频率 = 1/36000000（查手册）。

举例如下：

STM32F103ZET6，设 TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps。

STM32F407ZET6，设 TS1=6、TS2=5、BRP=5，波特率 = 42000 / [( 7 + 6 + 1 ) * 6] = 500Kbps。

这两个板子的 CAN 通信波特率相同，那这两个板子就可以进行 CAN 通信。