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
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协议
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引脚
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双工
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时钟
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电平
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设备数量
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典型场景
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UART
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TX、RX
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全双工
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异步
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单端
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点对点
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两个设备互连
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I2C
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SCL、SDA
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半双工
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同步
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单端
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多设备
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一主多从模块
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SPI
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SCK、MOSI、MISO、SS
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全双工
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同步
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单端
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多设备
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主控外挂高速模块
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CAN
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CAN_H、CAN_L
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半双工
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异步
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差分
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多设备
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多个控制器互相通信
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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
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逻辑
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名称
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电平差 V(CAN_H - CAN_L)
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| --- | --- | --- |
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1
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隐性（Recessive）
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≈ 0 V
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0
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显性（Dominant）
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≈ 2 V
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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
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逻辑
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电平差
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| --- | --- |
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1（隐性）
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≈ -1.5 V
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0（显性）
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≈ 3 V
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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
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帧类型
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用途
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| --- | --- |
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数据帧
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节点主动发送数据（广播式）
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遥控帧
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节点主动请求数据（请求式）
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错误帧
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检测到错误时，通知其他节点并终止当前发送
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过载帧
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接收方来不及处理，要求发送方暂缓
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帧间隔
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分隔数据帧/遥控帧与后续帧
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4.2 数据帧结构（标准帧 11 位 ID）
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字段
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长度
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说明
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| --- | --- | --- |
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SOF
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1 bit
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帧起始，显性位，标志数据开始
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ID
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11 bit
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标识符，区分消息功能，ID 越小优先级越高
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RTR
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1 bit
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远程请求位；数据帧为 0，遥控帧为 1
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IDE
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1 bit
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扩展标志；0 = 标准帧，1 = 扩展帧
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r0
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1 bit
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保留位
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DLC
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4 bit
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数据长度码，0 ~ 8
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Data
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0 ~ 8 B
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实际传输的数据
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CRC
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15 bit
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循环冗余校验
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CRC 界
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1 bit
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CRC 结束标志
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ACK
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1 bit
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应答位，接收方正确接收后拉低
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ACK 界
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1 bit
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ACK 结束标志
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EOF
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7 bit
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帧结束，7 个隐性位
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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：
提供额外的跳变沿，帮助接收方执行再同步；
防止长序列无跳变导致采样失准；
把正常数据流与错误帧、过载帧区分开；
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：
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段
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长度
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作用
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| --- | --- | --- |
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SS（同步段）
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1 Tq
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期望出现跳变沿，用于同步
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PTS（传播段）
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1 ~ 8 Tq
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补偿信号在总线上的传播延迟
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PBS1（相位缓冲段 1）
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1 ~ 8 Tq
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必要时延长以再同步
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PBS2（相位缓冲段 2）
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2 ~ 8 Tq
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必要时缩短以再同步
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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：
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。
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
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错误类型
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说明
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| --- | --- |
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位错误
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发送方读回的总线电平与发送的不一致（仲裁期间除外）
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填充错误
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违反位填充规则（连续 6 个相同位）
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CRC 错误
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接收方 CRC 计算结果与发送方不一致
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格式错误
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固定格式位（如帧间隔、ACK 界等）不符合规定
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ACK 错误
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发送方在 ACK 位未收到显性应答
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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：
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状态
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条件
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行为
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| --- | --- | --- |
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主动错误
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TEC < 128 且 REC < 128
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正常通信，检测到错误时发送主动错误帧（6 个显性位）
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被动错误
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TEC ≥ 128 或 REC ≥ 128
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仍可通信，但只能发送被动错误帧（6 个隐性位）
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总线关闭
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TEC > 255
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退出总线通信，需恢复过程
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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
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位
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置 1
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置 0
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| --- | --- | --- |
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NART
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禁止自动重传，只发一次
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发送失败自动重传直到成功
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TXFP
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发送优先级按请求顺序
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发送优先级按 ID 大小
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RFLM
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FIFO 溢出时丢弃新报文
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FIFO 溢出时覆盖最后一条
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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
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模式
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作用
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| --- | --- |
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静默模式
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监听总线，不影响总线，用于分析
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环回模式
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自测试，发送的报文可从 TX 引脚检测到
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环回静默模式
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热自测试，不影响总线
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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：
发送中断：发送邮箱空；
FIFO 0 中断：收到报文 / FIFO 满 / FIFO 溢出；
FIFO 1 中断：收到报文 / FIFO 满 / FIFO 溢出；
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
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知识点
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一句话总结
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物理层
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两线差分，显性 0 / 隐性 1，终端电阻匹配
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帧格式
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标准 11 位 ID / 扩展 29 位 ID，数据帧含 0~8 B 数据
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位时序
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SS + PTS + PBS1 + PBS2，采样点对齐中心
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仲裁
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ID 越小优先级越高，显性覆盖隐性，非破坏性
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错误处理
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5 种错误、3 种状态、TEC/REC 计数器
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STM32
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bxCAN 自动收发、过滤器、FIFO、中断、时间戳
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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
