一文搞懂 CAN 总线：从入门到 STM32 应用

一、什么是 CAN 总线？

CAN （Controller Area Network，控制器局域网总线）由 BOSCH 公司开发，是一种简洁、高速、易扩展且可靠性极高的串行通信总线。它广泛应用于汽车电子、工业控制、嵌入式设备等领域。

CAN 总线的核心特征：

• 两线通信 ：只需 CAN_H、CAN_L 两条线，布线简单。

• 差分信号：抗干扰能力强，适合复杂的电磁环境。

• 高速 CAN（ISO 11898）：速率 125 k ~ 1 Mbps，距离 < 40 m。

• 低速 CAN（ISO 11519）：速率 10 k ~ 125 kbps，距离 < 1 km。

• 异步通信：无需时钟线，节点间约定波特率即可。

• 半双工多主结构：多个设备挂载在同一条总线上。

• 报文 ID 仲裁：11 位（标准帧）或 29 位（扩展帧）ID，既区分功能，也决定总线优先级。

• 可变数据长度：有效载荷 0 ~ 8 字节。

• 广播 + 请求：支持主动发送数据帧，也支持通过遥控帧请求数据。

• 内置可靠性机制：应答、CRC 校验、位填充、位同步、错误处理等。

二、CAN 与其他通信协议对比

| 协议 | 引脚 | 双工 | 时钟 | 电平 | 设备数量 | 典型场景 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | UART | TX、RX | 全双工 | 异步 | 单端 | 点对点 | 两个设备互连 | | I2C | SCL、SDA | 半双工 | 同步 | 单端 | 多设备 | 一主多从模块 | | SPI | SCK、MOSI、MISO、SS | 全双工 | 同步 | 单端 | 多设备 | 主控外挂高速模块 | | CAN | CAN_H、CAN_L | 半双工 | 异步 | 差分 | 多设备 | 多个控制器互相通信 |

CAN 最大的优势在于：多主、差分抗干扰、非破坏性仲裁、内置错误检测，这正是汽车网络所需要的。

三、硬件电路与物理层

3.1 总线拓扑

每个节点由 MCU + CAN 控制器 + CAN 收发器 组成。控制器输出 TX/RX，收发器将其转换为差分信号 CAN_H / CAN_L 后挂到总线上。

• 高速 CAN ：闭环网络，总线两端必须各接 120 Ω 终端电阻，用于阻抗匹配、抑制反射。

• 低速 CAN ：开环网络，在总线一端 接 2.2 kΩ 终端电阻。

• 实际布线中，CAN_H 与 CAN_L 通常采用双绞线，进一步增强抗干扰能力。

• 

3.2 电平标准：隐性 vs 显性

CAN 用两根线的电压差 表示数据位，而不是单线对地电压。

高速 CAN

| 逻辑 | 名称 | 电平差 V(CAN_H - CAN_L) | | --- | --- | --- | | 1 | 隐性（Recessive） | ≈ 0 V | | 0 | 显性（Dominant） | ≈ 2 V |

典型电压值：隐性时 CAN_H = CAN_L = 2.5 V；显性时 CAN_H ≈ 3.5 V、CAN_L ≈ 1.5 V。

低速 CAN

| 逻辑 | 电平差 | | --- | --- | | 1（隐性） | ≈ -1.5 V | | 0（显性） | ≈ 3 V |

关键特性："线与"。只要任意一个节点发送显性（0），总线就呈现显性；只有当所有节点都发隐性（1）时，总线才为隐性。这一特性是 CAN 总线仲裁的基础。

3.3 CAN 收发器

常用高速 CAN 收发器如 TJA1050 、PCA82C250 、TJA1042 等。它负责：

• 将控制器来的 TX 单端信号转成差分电平发到总线；

• 将总线差分电平转回 RX 单端信号给控制器。

四、CAN 帧格式

4.1 五种帧类型

| 帧类型 | 用途 | | --- | --- | | 数据帧 | 节点主动发送数据（广播式） | | 遥控帧 | 节点主动请求数据（请求式） | | 错误帧 | 检测到错误时，通知其他节点并终止当前发送 | | 过载帧 | 接收方来不及处理，要求发送方暂缓 | | 帧间隔 | 分隔数据帧/遥控帧与后续帧 |

4.2 数据帧结构（标准帧 11 位 ID）

| 字段 | 长度 | 说明 | | --- | --- | --- | | SOF | 1 bit | 帧起始，显性位，标志数据开始 | | ID | 11 bit | 标识符，区分消息功能，ID 越小优先级越高 | | RTR | 1 bit | 远程请求位；数据帧为 0，遥控帧为 1 | | IDE | 1 bit | 扩展标志；0 = 标准帧，1 = 扩展帧 | | r0 | 1 bit | 保留位 | | DLC | 4 bit | 数据长度码，0 ~ 8 | | Data | 0 ~ 8 B | 实际传输的数据 | | CRC | 15 bit | 循环冗余校验 | | CRC 界 | 1 bit | CRC 结束标志 | | ACK | 1 bit | 应答位，接收方正确接收后拉低 | | ACK 界 | 1 bit | ACK 结束标志 | | EOF | 7 bit | 帧结束，7 个隐性位 |

扩展帧 ：CAN 2.0B 中将 ID 扩展到 29 位，增加了 SRR 位（替代 RTR，固定为 1），并在标准帧的 r1 位置引入了 IDE 位。当标准帧 11 位 ID 与扩展帧的高 11 位 ID 相同时，标准帧优先级更高，这是通过 SRR = 1（隐性）来保证的。

4.3 遥控帧

遥控帧与数据帧结构几乎相同，但：

• RTR = 1（隐性）；

• 没有数据段；

• 用于请求总线上其他节点发送对应 ID 的数据。

4.4 位填充（Bit Stuffing）

发送方每发送 5 个相同电平 后，会自动插入一个相反电平的填充位；接收方检测到填充位后自动移除。

作用：

1. 提供额外的跳变沿，帮助接收方执行再同步；

2. 防止长序列无跳变导致采样失准；

3. 把正常数据流与错误帧、过载帧区分开；

4. 保持总线在发送正常数据时的活跃状态。

五、位时序、采样与波特率

CAN 没有时钟线，所有节点靠约定波特率工作。每个节点都按自己的时钟对总线采样。

5.1 位时序分段

一个数据位被细分为若干最小时间单位 Tq（Time Quantum），并进一步划分为：

| 段 | 长度 | 作用 | | --- | --- | --- | | SS （同步段） | 1 Tq | 期望出现跳变沿，用于同步 | | PTS （传播段） | 1 ~ 8 Tq | 补偿信号在总线上的传播延迟 | | PBS1 （相位缓冲段 1） | 1 ~ 8 Tq | 必要时延长以再同步 | | PBS2（相位缓冲段 2） | 2 ~ 8 Tq | 必要时缩短以再同步 |

采样点 通常位于 PBS1 末尾 / PBS2 起始处，即一位的中心附近。

5.2 同步机制

• 硬同步：在每一帧的 SOF 下降沿，所有接收方将自己的位时序拨到 SS 段位置。硬同步只在 SOF 处有效一次。

• 再同步 ：如果后续数据位跳变沿偏离了 SS 段，接收方通过 SJW （再同步补偿宽度，1 ~ 4 Tq）延长 PBS1 或 缩短 PBS2，把采样点重新拉回中心。

5.3 波特率计算

波特率 = 1 / 一个数据位的时长
      = 1 / (T_SS + T_PTS + T_PBS1 + T_PBS2)

例如：SS = 1 Tq，PTS = 3 Tq，PBS1 = 3 Tq，PBS2 = 3 Tq，Tq = 0.5 μs，则：

一个位 = (1+3+3+3) × 0.5 μs = 4 μs
波特率 = 1 / 4 μs = 200 kbps

在 STM32 中，位时序用 BS1、BS2 表示：

波特率 = APB1 / (BRP + 1) / (1 + (TS1 + 1) + (TS2 + 1))

其中 SS = 1 Tq 固定，BS1 = TS1 + 1，BS2 = TS2 + 1。

六、总线仲裁

6.1 规则一：先占先得

如果当前已有设备在发送数据帧/遥控帧，其他设备不能同时发送数据帧/遥控帧（但可以发送错误帧/过载帧破坏当前帧）。只有当总线出现连续 11 个隐性位时，才认为总线空闲，设备才能开始发送。

6.2 规则二：非破坏性仲裁

若多个设备同时开始发送，CAN 根据 ID 逐位比较 进行仲裁。ID 越小，优先级越高。

实现仲裁依赖两个机制：

1. 线与特性：任何节点发显性（0），总线就为 0；只有全发隐性（1）时总线才为 1。

2. 回读机制：每个节点发完一位后都会读回总线电平。如果发的是 1，读回却是 0，说明优先级更高的节点发了 0，该节点自动退出竞争，转为接收。

因为仲裁不会破坏已经发出的数据，所以称为非破坏性仲裁。

6.3 优先级补充规则

• 同 ID 时：数据帧优先级高于遥控帧（RTR = 0 vs 1）。

• 标准帧 vs 扩展帧 ：当标准帧 11 位 ID 与扩展帧高 11 位 ID 相同时，标准帧优先级更高（由 SRR = 1 保证）。

七、错误处理

7.1 五种错误类型

| 错误类型 | 说明 | | --- | --- | | 位错误 | 发送方读回的总线电平与发送的不一致（仲裁期间除外） | | 填充错误 | 违反位填充规则（连续 6 个相同位） | | CRC 错误 | 接收方 CRC 计算结果与发送方不一致 | | 格式错误 | 固定格式位（如帧间隔、ACK 界等）不符合规定 | | ACK 错误 | 发送方在 ACK 位未收到显性应答 |

7.2 三种错误状态

每个节点通过两个计数器 TEC （Transmit Error Counter）和 REC（Receive Error Counter）管理自身状态：

| 状态 | 条件 | 行为 | | --- | --- | --- | | 主动错误 | TEC < 128 且 REC < 128 | 正常通信，检测到错误时发送主动错误帧（6 个显性位） | | 被动错误 | TEC ≥ 128 或 REC ≥ 128 | 仍可通信，但只能发送被动错误帧（6 个隐性位） | | 总线关闭 | TEC > 255 | 退出总线通信，需恢复过程 |

7.3 离线恢复

STM32 中 ABOM 位控制离线恢复：

• ABOM = 1：进入总线关闭后自动进入恢复过程；

• ABOM = 0：软件需先请求进入再退出初始化模式，才会开始恢复。

八、STM32 bxCAN 外设应用

8.1 资源概览

STM32 内置 bxCAN 控制器，支持 CAN 2.0A/B，最高 1 Mbps。典型资源（以 STM32F103C8T6 为例）：

• 3 个发送邮箱（带可配置优先级）；

• 2 个接收 FIFO，每个 3 级深度；

• 14 个过滤器组（互联型为 28 个）；

• 支持时间触发通信、自动离线恢复、自动唤醒、禁止自动重传、双 CAN 模式等。

8.2 发送与接收流程

发送流程：选择一个空邮箱 → 写入报文 → 请求发送。

接收流程：接收到报文 → 经过过滤器匹配 → 进入 FIFO 0 或 FIFO 1 → CPU 读取。

8.3 关键配置位

| 位 | 置 1 | 置 0 | | --- | --- | --- | | NART | 禁止自动重传，只发一次 | 发送失败自动重传直到成功 | | TXFP | 发送优先级按请求顺序 | 发送优先级按 ID 大小 | | RFLM | FIFO 溢出时丢弃新报文 | FIFO 溢出时覆盖最后一条 |

8.4 标识符过滤器

每个过滤器由两个 32 位寄存器 R1[31:0]、R2[31:0] 组成，可配置为：

• FSCx（位宽）：0 = 16 位，1 = 32 位；

• FBMx（模式）：0 = 屏蔽模式（Mask），1 = 列表模式（List）；

• FFAx（关联）：0 = 关联 FIFO 0，1 = 关联 FIFO 1；

• FACTx（激活）：0 = 禁用，1 = 启用。

列表模式 ：精确匹配若干 ID。 屏蔽模式 ：用 ID + Mask 匹配一段 ID 范围。

注意：ID 写入寄存器时通常需要左移（标准 ID 左移 21，扩展 ID 左移 3 等），具体规则需参考 STM32 参考手册。

8.5 测试模式

| 模式 | 作用 | | --- | --- | | 静默模式 | 监听总线，不影响总线，用于分析 | | 环回模式 | 自测试，发送的报文可从 TX 引脚检测到 | | 环回静默模式 | 热自测试，不影响总线 |

8.6 工作模式

• 初始化模式：配置 CAN 外设，禁止收发；

• 正常模式：配置完成后进入，正常收发；

• 睡眠模式 ：低功耗，AWUM = 1 时检测到总线活动自动唤醒，AWUM = 0 需软件唤醒。

8.7 中断

bxCAN 占用 4 个中断向量：

1. 发送中断：发送邮箱空；

2. FIFO 0 中断：收到报文 / FIFO 满 / FIFO 溢出；

3. FIFO 1 中断：收到报文 / FIFO 满 / FIFO 溢出；

4. 状态/错误/唤醒/睡眠中断。

8.8 时间触发通信（TTCM）

使能 TTCM 后，bxCAN 内置一个 16 位计数器，每个 CAN 位时间自增一次。发送帧 SOF 时捕获计数值到发送邮箱的 TIME 寄存器；接收帧 SOF 时捕获到接收 FIFO 的 TIME 寄存器。若使能 TGT 且 DLC = 8，时间戳还会被写入数据段最后两个字节。

九、小结

| 知识点 | 一句话总结 | | --- | --- | | 物理层 | 两线差分，显性 0 / 隐性 1，终端电阻匹配 | | 帧格式 | 标准 11 位 ID / 扩展 29 位 ID，数据帧含 0~8 B 数据 | | 位时序 | SS + PTS + PBS1 + PBS2，采样点对齐中心 | | 仲裁 | ID 越小优先级越高，显性覆盖隐性，非破坏性 | | 错误处理 | 5 种错误、3 种状态、TEC/REC 计数器 | | STM32 | bxCAN 自动收发、过滤器、FIFO、中断、时间戳 |

CAN 总线之所以能成为汽车电子的事实标准，核心在于它在物理层、数据链路层、错误处理层都做了完整而简洁的设计。理解了"差分电平、非破坏性仲裁、位时序、错误状态机"这几个关键点，再看任何车载网络或 STM32 CAN 代码都会事半功倍。

十、补充AutoSAR架构下的CAN通信

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