STM32——CAN总线

1. CAN总线基础概念

1.1 CAN总线简介

控制器局域网（Controller Area Network, CAN）是由Bosch公司开发的串行通信协议，专为汽车电子和工业控制设计，具有以下核心特性：

多主控制架构：所有节点均可主动发送数据
差分信号传输：CAN_H与CAN_L双绞线抗干扰
非破坏性仲裁：基于ID优先级的冲突解决机制
高可靠性：CRC校验、错误帧检测等安全机制

图表

1.2 CAN物理层结构

组件	功能说明	典型参数
CAN控制器	协议处理、帧过滤	集成在STM32内部
CAN收发器	电平转换(TTL↔差分)	TJA1050, SN65HVD
双绞线	信号传输介质	特性阻抗120Ω
终端电阻	消除信号反射	120Ω两端各1个

物理连接示意图：

STM32          CAN收发器         CAN总线
|------|        |------|        |--------|
|      | TX ----| TXD  |        | CAN_H  |
| CAN  |        |      |--------|        |
| 控制 | RX ----| RXD  |        | CAN_L  |
| 器   |        |------|        |--------|
|------|          ↑VCC(5V)

2. STM32 CAN控制器架构

2.1 功能框图

2.2 关键功能单元

发送邮箱：3个独立邮箱（F1/F4系列）
- 优先级管理机制
- 自动重传功能
接收FIFO：2个FIFO（FIFO0/FIFO1）
- 每个FIFO深度3个报文
- 可配置溢出处理
过滤器组：最多28个（F4系列）
- 工作模式：掩码模式/列表模式
- 尺度选择：16位/32位

3. CAN通信协议详解

3.1 数据帧结构

┌───┬───────┬──────┬───┬───────┬──────┬──────┬───┬───┐
│SOF│Arbitr.│Control│IDE│Data  │ CRC  │ ACK  │EOF│IFS│
│1  │11/29  │6      │1  │0-64  │16    │2     │7  |3  |
└───┴───────┴──────┴───┴───────┴──────┴──────┴───┴───┘

SOF：帧起始（显性电平）
Arbitration：ID+ RTR位（11位标准/29位扩展）
Control：DLC（数据长度0-8字节）
CRC：15位校验 + 1位界定符
ACK：应答槽 + 应答界定符

3.2 波特率配置

计算公式：

波特率 = APB1时钟 / (Prescaler * (BS1 + BS2 + 1))

位时间组成：

┌───┬──────────────┬──────────────┐
│SYNC│   BS1(Prop)  │    BS2(Ph2)  │
├───┼─────┬────┬───┼─────┬────┬───┤
│ 1 │ TQ1│... │TQn│ TQ1│... │TQm│
└───┴─────┴────┴───┴─────┴────┴───┘

SYNC_SEG：固定1个时间量子(TQ)
BS1：传播时间段（1-16 TQ）
BS2：相位缓冲段2（1-8 TQ）

4. STM32CubeMX配置步骤

4.1 基础配置流程

在Pinout视图启用CAN
配置参数：
- Mode：Normal/Loopback
- Bit Timings：设置Prescaler/BS1/BS2
过滤器配置：
- Filter Activate：Enable
- Scale：32-bit/16-bit
- Mode：Mask/List
NVIC设置：启用接收中断

4.2 推荐配置参数（500kbps）

参数	值	说明
Prescaler	6	分频系数
Time Quanta	12	总时间量子数
BS1	8 TQ	传播时间段
BS2	3 TQ	相位缓冲段2
SJW	1 TQ	同步跳转宽度
Sample Point	75%	(1+BS1)/(1+BS1+BS2)

5. HAL库编程实战

5.1 CAN初始化代码

CAN_HandleTypeDef hcan;
CAN_FilterTypeDef filter;void CAN_Init(void)
{hcan.Instance = CAN1;hcan.Init.Prescaler = 6;hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;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 = DISABLE;hcan.Init.AutoWakeUp = DISABLE;hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE;hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK) {Error_Handler();}// 配置过滤器（接收所有消息）filter.FilterBank = 0;filter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;filter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;filter.FilterIdHigh = 0x0000;filter.FilterIdLow = 0x0000;filter.FilterMaskIdHigh = 0x0000;filter.FilterMaskIdLow = 0x0000;filter.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;filter.FilterActivation = ENABLE;HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);HAL_CAN_Start(&hcan);HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

5.2 数据发送函数

uint8_t CAN_Send(uint32_t id, uint8_t* data, uint8_t len)
{CAN_TxHeaderTypeDef txHeader;uint32_t txMailbox;txHeader.StdId = id;          // 标准IDtxHeader.ExtId = 0;            // 扩展ID（标准帧设为0）txHeader.IDE = CAN_ID_STD;     // 使用标准帧txHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;   // 数据帧txHeader.DLC = len;            // 数据长度txHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &txHeader, data, &txMailbox) != HAL_OK) {return 0; // 发送失败}// 等待发送完成while(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) != 3);return 1;
}

5.3 中断接收处理

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader;uint8_t rxData[8];if(HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rxHeader, rxData) == HAL_OK) {uint32_t id = rxHeader.StdId;  // 获取标准IDuint8_t len = rxHeader.DLC;    // 数据长度// 处理接收数据 (示例: 串口转发)printf("ID:0x%X Data:", id);for(int i=0; i<len; i++) {printf("%02X ", rxData[i]);}printf("\n");}
}

6. 调试技巧与工具

6.1 常见调试工具

工具类型	推荐型号	特点
CAN分析仪	PCAN-USB, ZLG USBCAN	专业级报文分析
逻辑分析仪	Saleae, DSLogic	物理层信号观测
终端电阻	120Ω精密电阻	消除信号反射

6.2 典型问题排查

无法通信：
- 检查终端电阻（总线两端各120Ω）
- 验证波特率配置一致性
- 测量CAN_H-CAN_L差分电压（2V左右）
数据丢失：
- 增加接收FIFO深度
- 优化过滤器设置减少无关报文
- 提升中断优先级
总线错误：
- 使用HAL_CAN_GetError()获取错误码
- 检查物理线路是否受干扰
- 降低波特率测试稳定性

7. 应用案例

7.1 汽车电子网络

┌──────────────┐       ┌──────────────┐
│ 发动机控制器 │◄─────►│ 车身控制模块 │
├──────────────┤       ├──────────────┤
│    CAN总线   │◄──┐ ┌─►│  仪表盘显示  │
└──────▲───────┘  │ │  └──────────────┘│          ▼ ▼
┌──────┴───────┐  ┌──────────────┐
│  制动系统    │  │  网关控制器  │
└──────────────┘  └──────────────┘

7.2 工业控制系统

最佳实践提示：在工业环境中，建议使用带隔离的CAN收发器（如ISO1050）并增加TVS管保护电路，可显著提升系统抗干扰能力。

附录：CAN资源速查表

寄存器	功能描述	关键位域
CAN_MCR	主控制寄存器	INRQ, SLEEP, TTCM
CAN_MSR	主状态寄存器	INAK, SLAK, RX, TX
CAN_TSR	发送状态寄存器	TME0/1/2, TXOK0/1/2
CAN_RF0R/RF1R	接收FIFO寄存器	FMP0/1, FULL0/1
CAN_FMR	过滤器主寄存器	FINIT, CAN2SB
CAN_FA1R	过滤器激活寄存器	FACT0-27