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）：

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

步骤3：配置CAN外设

1. 引脚配置：在Pinout视图中，将PA11配置为"CAN_RX"，PA12配置为"CAN_TX"；
2. 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：

1. 在Configuration→NVIC中，勾选"CAN_RX0_IRQn"（FIFO0接收中断）和"CAN_TX_IRQn"（发送完成中断）；
2. 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）：

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：

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FIFO0if(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：

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IDtx_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）：

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：

// 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

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CANif(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）

// 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）

// 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：

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：

1. 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；
2. 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：

1. 检查滤波器使能状态，确保FilterActivation=ENABLE；
2. 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；
3. 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：

1. 用万用表检查CAN_H和CAN_L是否短路，接线是否正确；
2. 确保总线两端各接一个120Ω终端电阻；
3. 降低波特率（如从1Mbps降为500kbps），延长传输距离；
4. 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。