前言：為什么CAN總線是嵌入式通信的"硬通貨"？

在嵌入式通信領域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實時性和多節點通信能力，成為汽車電子、工業控制、智能設備等領域的"標配"。想象一下：一輛汽車中有幾十個ECU（電子控制單元），從發動機控制到車窗調節，都需要實時交換數據——CAN總線正是為這種多節點、高干擾環境設計的通信協議。

STM32幾乎全系列都集成了高性能CAN控制器（bxCAN），支持標準幀/擴展幀、中斷/DMA傳輸、靈活的濾波功能，完美適配工業級應用。本文將從CAN總線的基本原理講起，深入解析STM32的CAN外設結構、配置方法、通信流程和實戰案例，幫助你徹底掌握STM32 CAN通信開發。

一、CAN總線基礎：為什么它能在惡劣環境中可靠通信？

在學習STM32的CAN外設前，我們需要先理解CAN總線的核心特性——這是掌握后續內容的基礎。

1.1 CAN總線的核心優勢

CAN總線由博世公司在1980年代為汽車電子開發，經過30多年發展，已成為國際標準（ISO 11898），其核心優勢包括：

• 多主通信：總線上的每個節點都可主動發送數據，無需中央控制器，避免單點故障；
• 非破壞性仲裁：多個節點同時發送時，通過ID優先級仲裁，優先級高的節點繼續發送，低優先級的自動退讓，不會破壞數據；
• 差分信號傳輸：通過CAN_H和CAN_L兩根線傳輸差分信號，抗電磁干擾能力極強（適合工業和汽車環境）；
• 遠距離傳輸：速率125kbps時傳輸距離可達500m，滿足大多數工業場景；
• 錯誤檢測與自動重傳：內置CRC校驗、位填充、應答機制，確保數據可靠傳輸，錯誤幀會自動重傳。

1.2 CAN總線的基本概念

（1）幀結構：CAN數據的"包裝格式"

CAN總線通過"幀"傳輸數據，最常用的是數據幀（用于傳輸有效數據），其結構如下（標準幀）：

字段	長度（位）	功能描述
起始位	1	幀開始標志（低電平）
仲裁	11	包含標準ID（11位），用于仲裁
控制場	6	包含數據長度（DLC，0~8字節）
數據場	0~64	有效數據（0~8字節，擴展幀支持更多）
CRC場	16	循環冗余校驗，檢測數據錯誤
應答場	2	接收節點確認收到正確數據
結束位	7	幀結束標志（高電平）

擴展幀與標準幀的區別是仲裁場包含29位ID（11位標準ID+18位擴展ID），支持更多節點和更復雜的ID規劃。

（2）位時序：如何保證不同節點的同步？

CAN總線是異步通信，節點間沒有統一的時鐘線，通過位時序實現同步。每個位被分為4個時間段：

• 同步段（SS）：用于同步各節點時鐘，長度1TQ（Time Quantum，時間量子）；
• 傳播段（PS）：補償信號傳輸延遲，長度1~8TQ；
• 相位緩沖段1（PBS1）：可延長，用于重同步，長度1~8TQ；
• 相位緩沖段2（PBS2）：等于PBS1或信號傳播時間，長度1~8TQ。

波特率計算：波特率 = 1 / (總TQ)，其中總TQ = SS + PS + PBS1 + PBS2（通常總TQ=8~25）。

例如：STM32的CAN時鐘為36MHz，若總TQ=18，則波特率=36MHz / 18 = 2Mbps。

1.3 CAN節點的硬件組成

一個完整的CAN節點包括：

• MCU中的CAN控制器（如STM32的bxCAN）：負責幀的組裝、發送、接收和錯誤檢測；
• CAN收發器（如SN65HVD230）：將控制器輸出的TTL電平轉換為CAN總線的差分信號（CAN_H/CAN_L）；
• 終端電阻（120Ω）：接在總線兩端，匹配阻抗，防止信號反射。

典型電路：STM32的CAN_TX（如PB6）和CAN_RX（如PB5）連接到SN65HVD230的TXD和RXD，SN65HVD230的CAN_H和CAN_L接總線，兩端各接120Ω電阻。

二、STM32的CAN外設：bxCAN控制器的強大之處

STM32的CAN控制器稱為bxCAN（Basic Extended CAN），支持CAN 2.0A/B標準，不同系列（F1/F4/L4）的CAN外設功能略有差異，但核心結構一致。

2.1 bxCAN控制器的核心特性

• 支持標準幀（11位ID）和擴展幀（29位ID）；
• 3個發送郵箱：可緩存3幀待發送數據，支持優先級發送；
• 2個接收FIFO：每個FIFO有3級深度，可緩存3幀接收數據，減輕CPU負擔；
• 靈活的濾波功能：14個濾波器組，支持屏蔽位模式和列表模式，精準過濾目標報文；
• 多種中斷源：發送完成、接收FIFO滿、錯誤警告等，支持中斷和DMA傳輸；
• 總線錯誤管理：檢測總線錯誤（位錯誤、CRC錯誤等），自動進入錯誤狀態。

2.2 bxCAN的硬件結構

理解bxCAN的結構有助于后續配置，核心模塊包括：

（1）發送部分：3個發送郵箱

發送郵箱（Tx Mailbox）是發送數據的"緩沖區"，每個郵箱包含：

• 標識符寄存器（TXID）：存儲標準/擴展ID；
• 數據長度和數據寄存器（TXDLR、TXDATA）：存儲數據長度和有效數據；
• 控制寄存器（TXCTRL）：配置發送優先級、幀類型等。

發送流程：當郵箱狀態為"空"時，CPU填充郵箱數據，設置"發送請求"，CAN控制器會自動 arbitration（仲裁）并發送，發送完成后郵箱狀態變為"空"。

（2）接收部分：2個FIFO + 14個濾波器

• 接收FIFO：FIFO0和FIFO1，用于緩存接收的有效報文。當FIFO中的報文數達到閾值（如3幀），會觸發中斷；
• 濾波器組：共14個（STM32F103），每個濾波器可配置為屏蔽位模式（按ID掩碼過濾）或列表模式（精確匹配ID），過濾后的報文才會存入FIFO。

（3）波特率發生器

根據輸入時鐘（APB1時鐘，最高36MHz for F1）和配置的位時序參數（預分頻器、同步段、相位段），生成CAN總線需要的波特率。

三、STM32 CAN配置步驟：從CubeMX到代碼實現

本節以STM32F103C8T6和STM32CubeMX 6.6.0為例，結合HAL庫，詳細講解CAN通信的配置流程。

3.1 硬件準備

• 開發板：STM32F103C8T6最小系統板；

• CAN收發器：TJA1050模塊（帶120Ω終端電阻，可通過跳線選擇）；

• 接線：STM32的PA11（CAN_RX）接TJA1050的RXD，PA12（CAN_TX）接TJA1050的TXD，TJA1050的CAN_H和CAN_L接總線（若單節點測試，可短接CAN_H和CAN_L，或接2個節點形成回路）。

3.2 CubeMX配置步驟

步驟1：新建工程，選擇芯片

打開CubeMX，搜索"STM32F103C8T6"，創建新工程。

步驟2：配置時鐘樹

CAN外設掛載在APB1總線上，需確保APB1時鐘正確（最高36MHz for F1）：

1. 配置RCC：HSE選擇"Crystal/Ceramic Resonator"（8MHz外部晶振）；
2. 配置PLL：PLLMUL=×9，使系統時鐘=72MHz；
3. APB1 Prescaler=×2，使APB1時鐘=36MHz（滿足CAN時鐘需求）。

步驟3：配置CAN外設

1. 引腳配置：在Pinout視圖中，將PA11配置為"CAN_RX"，PA12配置為"CAN_TX"；
2. 配置CAN模式：在Configuration→Connectivity→CAN中，設置：
   • Mode：“Normal”（正常模式，收發數據）或"Loopback"（回環模式，用于自測，發送的報文會自己接收）；
   • Prescaler（預分頻器）：根據波特率需求設置，例如"6"（后續計算波特率）；
   • 位時序參數（Bit Timing）：
     • Sync Jump Width (SJW)：“1tq”；
     • Time Segment 1 (BS1)：“8tq”；
     • Time Segment 2 (BS2)：“3tq”；
       （總TQ = Prescaler × (SJW+BS1+BS2) = 6×(1+8+3)=72 → 波特率=36MHz/72=500kbps）

步驟4：配置中斷（可選）

若需要通過中斷處理收發，需配置NVIC：

1. 在Configuration→NVIC中，勾選"CAN_RX0_IRQn"（FIFO0接收中斷）和"CAN_TX_IRQn"（發送完成中斷）；
2. 設置中斷優先級（如搶占優先級1，子優先級0）。

步驟5：生成代碼

設置工程路徑和IDE（如MDK-ARM），點擊"Generate Code"生成初始化代碼。

3.3 HAL庫CAN核心函數解析

生成的代碼中，CAN相關核心函數位于can.c和stm32f1xx_hal_can.h，主要包括：

（1）初始化函數：MX_CAN_Init()

自動生成的初始化函數，配置CAN模式、波特率、濾波器等（后續需手動完善濾波器配置）：

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; // 自動退出總線關閉狀態hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE; // 自動重傳hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK){Error_Handler();}
}

（2）濾波器配置函數：CAN_Filter_Config()

濾波器需要手動配置，用于過濾目標ID的報文，示例：

void CAN_Filter_Config(void)
{CAN_FilterTypeDef can_filter_st;can_filter_st.FilterActivation = ENABLE; // 使能濾波器can_filter_st.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // 屏蔽位模式can_filter_st.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT; // 32位濾波器// 配置濾波器ID和掩碼（只接收ID=0x123的標準幀）can_filter_st.FilterIdHigh = 0x123 << 5; // 標準ID的高16位（左移5位是因為標準ID占11位）can_filter_st.FilterIdLow = 0x0000;can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF << 5; // 掩碼高16位（全1表示嚴格匹配）can_filter_st.FilterMaskIdLow = 0x0000;can_filter_st.FilterBank = 0; // 使用第0個濾波器組can_filter_st.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0; // 匹配的報文存入FIFO0if(HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &can_filter_st) != HAL_OK){Error_Handler();}
}

濾波器配置說明：

• 屏蔽位模式：FilterId是目標ID，FilterMaskId是掩碼，掩碼為1的位必須嚴格匹配，為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才會被接收；
• 32位/16位模式：32位模式可同時過濾標準幀和擴展幀，16位模式適合單獨過濾。

（3）發送函數：CAN_Send_Message()

封裝發送流程，填充報文并啟動發送：

uint8_t CAN_Send_Message(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len)
{CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;uint8_t tx_mailbox; // 存儲使用的發送郵箱編號// 配置發送頭部tx_header.StdId = id; // 標準IDtx_header.ExtId = 0; // 擴展ID（不使用）tx_header.RTR = CAN_RTR_DATA; // 數據幀tx_header.IDE = CAN_ID_STD; // 標準幀tx_header.DLC = len; // 數據長度（0~8）tx_header.TransmitGlobalTime = DISABLE;// 等待發送郵箱空閑if(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) == 0){return 1; // 郵箱滿，發送失敗}// 發送數據if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, data, &tx_mailbox) != HAL_OK){return 2; // 發送失敗}return 0; // 發送成功
}

（4）接收函數：CAN_Receive_Message()

從FIFO接收報文（查詢方式）：

uint8_t CAN_Receive_Message(uint32_t *id, uint8_t *data, uint8_t *len)
{CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;// 檢查FIFO0是否有數據if(HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, data) != HAL_OK){return 1; // 接收失敗}*id = rx_header.StdId; // 獲取接收的ID*len = rx_header.DLC; // 獲取數據長度return 0; // 接收成功
}

（5）中斷服務函數

若使用中斷接收，需實現中斷服務函數和回調函數：

// FIFO0接收中斷服務程序
void CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{HAL_CAN_IRQHandler(&hcan);
}// 接收回調函數
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{uint32_t id;uint8_t data[8], len;// 接收數據if(CAN_Receive_Message(&id, data, &len) == 0){// 處理接收的數據（如打印）printf("收到ID:0x%X, 數據:", id);for(uint8_t i=0; i<len; i++){printf("%02X ", data[i]);}printf("\r\n");}
}

四、實戰案例：STM32 CAN節點通信測試

本節通過兩個案例（回環測試和雙節點通信），驗證CAN配置的正確性。

4.1 回環模式測試（單節點）

回環模式下，STM32發送的CAN報文會被自己接收，無需外部節點，適合調試：

步驟1：修改CAN模式為回環

在MX_CAN_Init()中，將hcan.Init.Mode改為CAN_MODE_LOOPBACK。

步驟2：主函數代碼

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();// 配置濾波器CAN_Filter_Config();// 啟動CANif(HAL_CAN_Start(&hcan) != HAL_OK){Error_Handler();}// 使能FIFO0接收中斷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秒發送一次數據if(send_cnt >= 100){if(CAN_Send_Message(0x123, send_data, 8) == 0){printf("發送成功: ID=0x123, 數據:11 22 33 44 55 66 77 88\r\n");}else{printf("發送失敗\r\n");}send_cnt = 0;}HAL_Delay(10);send_cnt++;}
}

測試結果

程序運行后，串口會打印"發送成功"和"收到數據"的信息，說明回環通信正常。

4.2 雙節點通信（多節點）

準備兩個STM32節點（Node A和Node B），配置相同波特率（500kbps），實現雙向通信：

• Node A：發送ID=0x123的報文，接收ID=0x456的報文；
• Node B：發送ID=0x456的報文，接收ID=0x123的報文。

Node A核心代碼（發送0x123，接收0x456）

// 濾波器配置（接收0x456）
can_filter_st.FilterIdHigh = 0x456 <<5;
can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF<<5;// 主循環發送0x123
while(1)
{CAN_Send_Message(0x123, send_data, 8);HAL_Delay(1000);
}

Node B核心代碼（發送0x456，接收0x123）

// 濾波器配置（接收0x123）
can_filter_st.FilterIdHigh = 0x123 <<5;
can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0xFFF<<5;// 主循環發送0x456
while(1)
{CAN_Send_Message(0x456, send_data, 8);HAL_Delay(1000);
}

測試結果

兩個節點通過CAN總線連接后，Node A會收到Node B發送的0x456報文，Node B會收到Node A發送的0x123報文，實現雙向通信。

五、CAN高級特性：中斷、DMA與錯誤處理

5.1 中斷與DMA：提高通信效率

• 中斷方式：適合報文數量少、實時性要求高的場景，接收/發送完成后立即觸發中斷，CPU及時處理；
• DMA方式：適合大量報文傳輸，通過DMA直接將數據搬運到內存，減少CPU干預（僅部分STM32系列支持，如F4）。

中斷配置補充：除了接收FIFO中斷，還可配置以下中斷：

• CAN_IT_TX_MAILBOX_EMPTY：發送郵箱空（可用于連續發送）；
• CAN_IT_ERROR：總線錯誤（用于錯誤處理）；
• CAN_IT_WAKEUP：休眠喚醒（低功耗場景）。

5.2 CAN錯誤處理：保證總線可靠性

CAN控制器會檢測總線錯誤，并根據錯誤計數進入不同狀態：

• 主動錯誤狀態：錯誤較少，可正常發送錯誤幀，通知其他節點；
• 被動錯誤狀態：錯誤較多，只能接收，發送前需等待總線空閑；
• 總線關閉狀態：錯誤嚴重，無法參與通信，需軟件復位（HAL_CAN_ResetError）恢復。

錯誤處理示例：

void CAN_Error_Handler(void)
{if((hcan.Instance->ESR & CAN_ESR_BOFF) != 0) // 檢測到總線關閉{printf("CAN總線關閉，嘗試恢復...\r\n");HAL_CAN_ResetError(&hcan); // 復位錯誤狀態HAL_CAN_Start(&hcan); // 重新啟動CAN}
}// 在主循環中定期檢查
while(1)
{if(HAL_CAN_GetError(&hcan) != HAL_CAN_ERROR_NONE){CAN_Error_Handler();}// ... 其他代碼 ...
}

六、常見問題與解決方案：避坑指南

6.1 通信失敗：波特率不匹配

現象：發送報文后，接收方收不到，或收到亂碼。

原因：

• 兩個節點的波特率計算錯誤，導致時鐘不同步；
• 位時序參數（BS1、BS2、SJW）配置不一致。

解決方案：

1. 重新計算波特率：確保APB1時鐘 / (Prescaler × (SJW+BS1+BS2))在兩個節點完全一致；
2. 推薦位時序參數：對于500kbps，可使用Prescaler=6, SJW=1, BS1=8, BS2=3（總TQ=12，36MHz/6/12=500kbps）。

6.2 接收不到報文：濾波器配置錯誤

現象：總線有數據，但本節點收不到。

原因：

• 濾波器未使能（FilterActivation=DISABLE）；
• 濾波器ID或掩碼配置錯誤，目標ID被過濾；
• FIFO溢出（報文過多未及時處理，導致新報文被丟棄）。

解決方案：

1. 檢查濾波器使能狀態，確保FilterActivation=ENABLE；
2. 用回環模式測試濾波器：發送目標ID，若能收到，說明濾波器配置正確；
3. 及時處理FIFO數據，避免溢出（可增加FIFO滿中斷）。

6.3 總線錯誤：硬件或接線問題

現象：頻繁進入總線錯誤狀態，甚至總線關閉。

原因：

• CAN_H和CAN_L接反或短路；
• 終端電阻缺失或阻值錯誤（應為120Ω）；
• 總線長度過長，超出對應波特率的最大距離；
• 電源干擾（未接地或紋波過大）。

解決方案：

1. 用萬用表檢查CAN_H和CAN_L是否短路，接線是否正確；
2. 確保總線兩端各接一個120Ω終端電阻；
3. 降低波特率（如從1Mbps降為500kbps），延長傳輸距離；
4. 加強電源濾波，確保接地良好。

七、擴展

• CAN FD：支持更高數據速率（8Mbps）和更長數據幀（64字節），適合大數據量傳輸；
• CANopen協議：在CAN基礎上的高層協議，定義了標準化的通信對象和設備模型；
• 多節點網絡管理：學習如何設計CAN網絡的ID分配、優先級規劃和故障診斷。

掌握STM32 CAN通信，能為工業控制、汽車電子等領域的開發打下堅實基礎——這是嵌入式工程師進階的重要技能。建議結合實際硬件多做測試，尤其是濾波器配置和錯誤處理，才能真正理解CAN總線的精髓。