一. CAN简介

CAN协议，全称为Controller Area Network（控制器局域网络），是一种广泛应用的串行通信协议，最初由 德国BOSCH公司开发，并已成为国际标准。

低速CAN（ISO11519）通信速率 10~125Kbps，总线长度可达 1000 米。 高速CAN（ISO11898）通信速率 125Kbps~1Mbps，总线长度 ≤40 米。

1.1 定义：

CAN协议是一种基于差分信号的异步串行通信协议，采用双绞线作为传输介质，具有高性能、高 可靠性和独特的设计特点。

1.2 特点：

多主控制：支持多主方式，即任何一个节点都可以在总线上发送数据，其他节点根据需要进行接 收。当两个以上的节点同时开始发送数据时，会根据标识符（ID）决定优先级。

系统柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线 上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。

通信速度快、距离远：数据传输速率较高，标准速率为125kbps，扩展速率可达1Mbps，且通信 距离远，最远可达10KM（速率低于5Kbps）。

错误检测与恢复：具有错误检测、错误通知和错误恢复功能，能够确保数据传输的可靠性。

故障封闭功能：能够判断出错误的类型，并将引起故障的单元从总线上隔离出去。

1.3 CAN协议因其高效、可靠的特点，被广泛应用于多个领域：

汽车领域：用于实现车辆中各个控制单元（ECU）之间的通信，如发动机控制、车身控制、传动系统控 制等。

工业自动化：用于机器人、物流设备、生产线等各种设备之间的通信与控制。 航空航天：用于飞机中的各种子系统之间的数据通信，如飞行控制系统、引擎控制系统、仪表盘、通信 系统等。

船舶领域：用于实现船舶各种设备的可靠通信，包括远程控制、安全监测、航程分析、巡回检测等系 统。

智能家居：连接各种智能设备，如照明设备、空调系统、安防系统等，实现设备的互联互通。

智能医疗：连接医疗设备，如监护仪、呼吸机等，实现设备间的快速通信。

二. CAN物理层介绍

CAN网络通常由CAN控制器、CAN收发器和双绞线组成

CAN控制器：负责处理数据的收发和协议转换。

CAN收发器：负责将控制器的数字信号转换为差分信号进行传输，同时也负责将总线上的差分信号转换 为数字信号供控制器处理。

终端电阻： 在高速CAN总线的两端分别连接一个电阻，称为终端电阻。终端电阻的主要作用是匹配总线阻抗，提高 信号质量，减少回波反射。一般来说，终端电阻的阻值为120Ω。

2.1 总线拓扑图

2.2 电平标准

CAN使用差分信号进行数据传输，根据CAN_H和CAN_L上的电位差来判断总线电平。

显性电平表示逻辑 0 ，通常 CAN_H 和 CAN_L 有 2V 的压差；

隐性电平表示逻辑 1 ，通常 CAN_H 和 CAN_L 有 0V 的压差。

显性电平在通信中具有优先权，能够覆盖隐性电平，确保数据的正确传输。 隐性电平则作为总线的空闲或监听状态存在，等待有节点发送数据。

2.3 CAN控制器与收发器

三. CAN协议层介绍

3.1 CAN帧种类介绍

1. 数据帧（Data Frame）：数据帧是CAN总线上用于传输用户数据的帧，包括必要的帧头、标识符、控 制位、数据长度代码、数据域、CRC校验码和应答域等部分，是CAN通信中最基本和最重要的帧类型。

2. 遥控帧（Remote Frame）：遥控帧用于向总线上的其他节点请求发送具有相同标识符的数据帧，它 没有数据域，仅通过标识符来指定所需的数据。遥控帧的帧结构与数据帧相似，但缺少数据部分。

3. 错误帧（Error Frame）：当CAN总线上的任何节点检测到通信错误时，会发送错误帧来通知其他节 点。错误帧包含错误标志和错误界定符，用于指示错误的存在和类型。

4. 过载帧（Overload Frame）：过载帧用于在连续的数据帧或远程帧之间提供额外的延时，以指示接收 节点尚未准备好接收下一个帧。当接收节点因内部条件限制而无法立即接收数据时，会发送过载帧来请 求发送节点暂停发送。

5. 帧间隔（Interframe Space）：帧间隔用于隔离数据帧与前面的帧，确保它们之间的时间间隔足够 长，以避免总线上的冲突和数据丢失。帧间隔包括连续三个隐性位（间隔段）和可能存在的空闲段，用 于将数据帧或远程帧与前面的帧分隔开来。

3.2 CAN数据帧介绍

数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)，主要体现在仲裁段和控制段。

1. 帧起始（Frame Start）：

功能：表示数据帧的开始。

特点：由一个显性位（Dominant Bit）构成，此时CAN_H为高电平（如3.5V），CAN_L为低电平 （如1.5V），二者之间的电位差形成信号。

2. 仲裁段（Arbitration Field）：

功能：确定发送优先级，并包含标识符（Identifier）用于唯一标识发送者和接收者之间的通信关 系。

组成： 标准数据帧的仲裁场由11位ID和1位RTR位（远程发送请求位）组成。RTR位用于区分数据帧 （显性电平）和遥控帧（隐性电平）。

扩展数据帧中，还包含SRR位（Substituted Remote Request，替代的远程请求）和IDE位 （Identifier Extension，标识符扩展）。SRR位用于指示发送方是否发送了远程请求帧，IDE 位用于指示标识符字段是否使用了扩展格式（29位）。

3. 控制段（Control Field）：

功能：包含数据长度代码（DLC），用于定义数据帧中数据域的长度。

特点：DLC占4位，其取值范围为0到8个字节，表示数据帧中包含的数据字节数。

4. 数据段（Data Field）：

功能：包含要传输的数据，是数据帧的主体部分。

特点：数据域的长度可以根据DLC字段的值从0到8个字节不等，数据从最高位（MSB）开始传 输。

5. CRC段（CRC Field）：

功能：用于检测数据帧的传输错误。

特点：CRC（循环冗余校验）是一种通过对数据进行计算生成的校验码，发送方在发送数据帧时会 根据数据计算出CRC值，并将其添加到数据帧的CRC段中。接收方在接收到数据帧后会重新计算 CRC值，并与接收到的CRC值进行比较，以确认数据在传输过程中是否发生错误。

6. 应答段（ACK Field）：

功能：用来确认数据帧的正常接收。

组成：由ACK槽（ACK Slot）和ACK界定符两个位构成。当接收节点成功解析了数据帧并确认无误 后，会在ACK槽中发送一个显性位作为应答信号。

7. 帧结束（Frame End）：

功能：表示数据帧的结束。

特点：由7个连续的隐性位构成，标志着数据帧的传输完成。

3.3 CAN位时序

CAN总线以“位同步”机制，实现对电平的正确采样。位数据都由四段组成：同步段(SS)、传播时间段(PTS)、 相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2)，每段又由多个位时序Tq组成。

CAN总线通过时钟同步机制来确保各个节点在通信过程中保持同步。时钟同步机制包括硬同步和再同步两 种：

1. 硬同步：

硬同步只在帧的起始位（SOF）处进行。

当接收节点检测到帧起始位的下降沿时，会将其与自身的位时间进行对齐，从而实现同步。

2. 再同步：

再同步在帧的后续数据位中进行。

如果接收节点检测到数据位的跳变沿不在自身的同步段内，则会通过延长或缩短相位缓冲段的时 间来调整自身的位时间，以重新获得同步。

再同步时，PBS1和PBS2中增加或者减少的时间被称为“再同步补偿宽度（SJW）”，其范围：1~4 Tq。

3.4 CAN仲裁机制

CAN总线处于空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权。

多个单元同时开始发送时，从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。仲裁原理如下：

1. 标识符优先级：

CAN总线中传输的数据帧的起始部分为数据的标识符（ID）。这个标识符不仅用于区分消息，还 表示消息的优先级。在CAN 2.0标准中，标识符可以是11位或29位（对于扩展帧）。标识符的数 值越小，优先级越高。

例如，在11位标识符的情况下，ID为0x000的消息具有最高优先级，而ID为0x7FF的消息具有最低 优先级。

2. 逐位仲裁：

当两个或两个以上的节点同时开始传送报文时，就会产生总线访问冲突。此时，各节点会按照标 识符的位顺序逐位进行仲裁。

在仲裁过程中，每个节点都会将自己发送的电平与总线上的电平进行比较。如果电平相同，则节 点继续发送下一位；如果电平不同，则优先级低的节点停止发送，而优先级高的节点继续发送。

这种仲裁方式是非破坏性的，即优先级低的节点在仲裁过程中不会破坏总线上已经存在的数据。

3. 显性电平优先：

在CAN总线上，显性电平（逻辑0）的优先级高于隐性电平（逻辑1）。因此，在仲裁过程中，如 果某个节点发送的是隐性电平，但检测到总线上存在显性电平，那么该节点就会知道有更高优先 级的消息正在发送，并主动停止发送。

一旦仲裁结束，优先级最高的节点将获得总线控制权并开始传输数据。其他节点则成为接收节点并监听总线 上的数据，并会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。

四. STM32 CAN控制器介绍

4.1 CAN控制器介绍

STM32的bxCAN，即基本扩展CAN（Basic Extend CAN），是STM32微控制器系列中集成的CAN控制器模块。

1. 协议支持：

支持CAN协议2.0A和2.0B的主动模式。

2. 高波特率：

波特率最高可达1兆位/秒。

3. 时间触发通信：

支持时间触发通信功能，CAN的硬件内部定时器可以在TX/RX的帧起始位的采样点位置 生成时间戳。

4. 发送功能：

具有3个发送邮箱，发送报文的优先级特性可软件配置。

记录发送SOF（Start Of Frame，帧起始）时刻的时间。

5. 接收功能：

具有3级深度的2个FIFO（First In First Out，先进先出队列），每个FIFO都可以存放3个完整的报 文，完全由硬件管理。

共有14个位宽可变的过滤器组（部分STM32型号可能支持更多），由整个CAN共享，用于筛选有 效报文。

记录接收SOF时刻的时间。 支持禁止自动重传模式。

4.2 CAN控制器模式

CAN控制器的工作模式有三种：初始化模式、正常模式和睡眠模式。

睡眠模式：

在睡眠模式下，CAN控制器的时钟停止，以降低功耗。但软件仍然可以访问邮箱寄存器。

初始化模式：

在初始化模式下，禁止报文的接收和发送，并且CANTX引脚输出隐性位（高电平）。此时，可 以对CAN控制器的相关寄存器进行配置，如位时间特性（CAN_BTR）和控制（CAN_MCR）等。

正常模式：

作为总线的正常节点，可以向总线发送或接收数据。

CAN控制器的测试模式有三种：静默模式、环回模式和环回静默模式，主要用于特定的测试或调试目的，以 确保CAN控制器的功能正常。

1. 静默模式

特点：

在静默模式下，CAN控制器可以正常地接收数据帧和远程帧，但只能发出隐性位，而不能真正发送报 文。

这意味着，虽然CAN控制器在尝试发送数据，但实际上它并没有在CAN总线上产生任何显性位，因此不 会对总线上的其他节点产生影响。

应用场景：

静默模式通常用于分析CAN总线的活动，而不会对总线上的其他通信造成干扰。

开发人员可以使用此模式来观察总线上的数据流，而无需担心他们的测试设备会发送出不必要的报文。

2. 环回模式

特点：

在环回模式下，CAN控制器会把发送的报文当作接收的报文并保存（如果可以通过接收过滤）。 这意味着，当CAN控制器发送一个报文时，它会立即在自己的接收缓冲区中看到这个报文，就像它是从 总线上接收到的一样。

应用场景：

环回模式通常用于自测试，以验证CAN控制器的发送和接收功能是否正常。 通过发送一个报文并检查它是否被正确接收，开发人员可以确保CAN控制器的硬件和固件都按预期工 作。

3. 环回静默模式

特点：

环回静默模式结合了静默模式和环回模式的特点。

在该模式下，CANRX引脚与CAN总线断开，同时CANTX引脚被驱动到隐性位状态。

这意味着，虽然CAN控制器在尝试发送报文，但它实际上并没有在CAN总线上产生任何显性位，并且它 会将发送的报文视为接收到的报文。

应用场景：

环回静默模式通常用于“热自测试”，即可以在不影响CANTX和CANRX所连接的整个CAN系统的情况下进 行测试。

这种模式允许开发人员在不干扰总线上的其他通信的情况下，验证CAN控制器的发送和接收功能。

4.2 CAN控制器框图

CAN控制内核：包含各种控制/状态/配置寄存器，用于配置CAN控制器的模式、波特率等参数。

发送邮箱（Transmit Mailbox）：用来缓存待发送的CAN报文。STM32等微控制器通常具有多个发送邮箱 （如3个），以支持同时缓存多个报文。

接收FIFO（First In First Out）：缓存接收到的有效CAN报文。CAN控制器通常具有多个接收FIFO（如2 个），以提高接收效率。

接收过滤器（Receive Filter）：筛选接收到的CAN报文，只将符合特定条件的报文保存到接收FIFO中。这 有助于减少CPU的处理负担，提高系统的响应速度。

发送处理过程：

接收处理过程：

有效报文指的是（数据帧直到EOF段的最后一位都没有错误），且通过过滤器组对标识符过滤。

接收过滤器：

当总线上报文数据量很大时，总线上的设备会频繁获取报文，占用CPU。过滤器的存在，选择性接收有效报 文，减轻系统负担。

STM32的CAN控制器支持配置过滤器组， 每个过滤器组包含2个32位的寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2， 用于 存储要筛选的ID或掩码。

对于STM32F103C8T6， 如果只有一个CAN控制器， 则可以配置14个过滤器组， 对 应的编号为0到13。 过滤器可以配置为不同的位宽，以适应不同长度的CAN ID。常见的位宽包括16位（用于标准帧）和32位 （用于扩展帧）。

选择模式可设置屏蔽位模式或标识符列表模式，寄存器内容的功能就有所区别。屏蔽位模式，可以选择出一 组符合条件的报文。寄存器内容功能相当于是否符合条件。标识符列表模式，可以选择出几个特定ID的报 文。寄存器内容功能就是标识符本身。

4.3 CAN控制器位时序

五. CAN基本驱动流程

小实验：CAN收发实验

实验目的：使用回环模式实现自发自收

数据手册查看CAN_RX和CAN_TX对应的引脚

CAN相关代码编写

主函数编写

实验现象