导读：实际项目调试中，90% 的 CAN 通讯故障来源于硬件问题，仅有小部分是代码配置错误。很多开发者直接上手写收发代码，忽略硬件基础，遇到通讯无响应、高速丢包、波形异常、总线离线等问题无从下手。本章完整讲解 CAN 三层硬件架构、差分电平原理、终端电阻的作用与坑点，并提供可直接移植的硬件故障检测代码。

2.1 CAN 总线三层硬件架构

一套可以稳定运行的 CAN 通讯系统分为三层：MCU‑CAN 控制器层、CAN 收发器层、CAN 总线传输线缆层，三层缺一不可。

2.1.1 MCU 内置 CAN 控制器（协议逻辑层）

STM32、GD32、HC32 等工业 MCU 内部集成硬件 CAN 控制器，不需要外接协议芯片。CAN 控制器负责协议层面全部逻辑工作，由硬件自动完成，CPU 只需要读写寄存器：

1. 自动组装帧起始、仲裁段、DLC、CRC、应答位等帧结构；
2. 硬件完成总线仲裁，多节点同时发包时自动优先级竞争；
3. CRC 校验、错误统计、错误帧处理、报文自动重发；
4. 提供发送邮箱、接收 FIFO 缓冲区存放报文。

注意：MCU 输出的是 3.3V 单端逻辑信号（CAN_TX、CAN_RX 引脚），驱动能力弱，不能直接长距离走线，必须外接 CAN 收发器芯片。

工程实例：STM32F103 的 CAN1，对应引脚 PA11 (CAN_RX)、PA12 (CAN_TX)。MCU 的 CAN_TX 输出逻辑电平给到收发器，收发器把差分信号送到总线上；总线回来的差分信号，经过收发器转换为单端信号送到 MCU 的 CAN_RX。

2.1.2 CAN 收发器芯片（电平转换层）

常见型号：TJA1050、TJA1042、SN65HVD230。 收发器是 MCU 和总线之间的桥梁，两大核心作用：

1. 电平转换：把 MCU 单端逻辑信号转换成 CAN_H / CAN_L 差分总线电平；反过来，把总线上差分信号转换成 MCU 识别的单端 RX 信号。
2. 总线驱动与保护：提高总线驱动能力，具备过压保护，防止总线上高压浪涌击穿单片机 IO。

典型接线关系：

• 收发器 TX 引脚 → MCU CAN_TX
• 收发器 RX 引脚 → MCU CAN_RX
• 收发器 CAN_H、CAN_L 引出到总线双绞线
• VCC 接 5V（TJA1050）或者 3.3V（SN65HVD230）

实操坑点：收发器电源不稳会出现偶发丢包；收发器待机模式（STB 引脚拉高）芯片进入睡眠，会完全无法收发报文，很多新手踩这个坑。

2.1.3 CAN 总线传输线缆层

CAN 总线信号必须使用屏蔽双绞线，两根线命名 CAN_H 和 CAN_L。双绞线互相缠绕可以抵消外界共模电磁干扰；屏蔽层建议单点接地，不要两端同时接地，避免地环路引入干扰。

禁止直接使用普通杜邦线平行走线做长距离 CAN 通讯。平行导线没有抵消干扰能力，在 500K/1M 高速波特率下，极易乱码、丢包。

2.2 CAN 差分电平原理

CAN 总线不看单根导线对地电压，而是看 CAN_H 和 CAN_L 之间的电压差值，分为隐性电平（逻辑 1）和显性电平（逻辑 0）。这是抗干扰和硬件仲裁的物理基础。

2.2.1 隐性电平（逻辑 1，总线空闲）

总线空闲时，收发器内部电路将 CAN_H、CAN_L 钳位在约 2.5V。

• CAN_H ≈ 2.5V
• CAN_L ≈ 2.5V
• 差值 CAN_H - CAN_L ≈ 0V 代表逻辑 1，总线处于空闲状态。

隐性电平有一个关键特性：只要任意一个节点输出显性电平，总线就会被强制覆盖为显性电平。

2.2.2 显性电平（逻辑 0，总线占用）

当节点发送逻辑 0 时，收发器驱动：

• CAN_H ≈ 3.5V
• CAN_L ≈ 1.5V
• 差值 CAN_H - CAN_L ≈ 2V

代表逻辑 0，显性电平优先级高于隐性电平，这就是 CAN 硬件仲裁的物理根源。

2.2.3 硬件仲裁完整实例

场景：两个节点 A (ID=0x200，优先级低)、节点 B (ID=0x100，优先级高) 同时检测总线空闲，同时启动发送报文。

1. 总线初始状态：隐性电平（空闲）；
2. 两个节点同时发送 SOF 帧起始位（显性 0），总线被拉到显性，无冲突；
3. 开始发送 ID 最高位：节点 A 发出逻辑 1（隐性），节点 B 发出逻辑 0（显性）；
4. 总线物理上变成显性电平。节点 A 一边发送，一边监听总线电平，发现自己发的是 1，但总线实际是 0；
5. 节点 A 立刻停止发送，退出竞争，等待总线下一次空闲；节点 B 不受影响，继续完整发送自己的报文。

整个仲裁全部硬件自动完成，微秒级，软件完全不需要干预。

面试考点：为什么 CAN 可以实现无冲突通讯？本质就是显性电平可以覆盖隐性电平，发送方边发边回读总线电平进行比对。

2.3 终端电阻深度解析

2.3.1 终端电阻原理

高频数字信号在线缆传输末端，如果阻抗不匹配，信号会发生信号反射。反射波叠加原始波形，波形变形、抖动，接收端识别出错，出现乱码丢包。

CAN 总线双绞线标称阻抗 120Ω，因此需要在总线物理两端并联 120Ω 电阻，实现阻抗匹配，吸收反射信号，还原干净波形。

2.3.2 终端电阻硬性规则

1. 阻值固定为 120Ω，不要随意用 100Ω、150Ω 替代；
2. 只允许接在整条总线物理最两端设备的 CAN_H 和 CAN_L 之间；
3. 总线中间挂载的设备，禁止焊接 120Ω 终端电阻；
4. 一条 CAN 总线，最多只能有两个 120Ω 终端电阻。

断电测量总线 CAN_H、CAN_L 之间电阻：两端都接 120Ω 时，并联后测量值约 60Ω，这是判断电阻是否正确的简易手段。

2.3.3 多场景案例

场景 1：点对点两个设备通讯。两个设备分别是总线两端，各焊 120Ω 电阻，测得总线约 60Ω，通讯稳定。 场景 2：多节点组网，一共 5 个节点。1 号节点和 5 号节点在总线首尾，接 120Ω；2、3、4 中间节点不接。 场景 3：临时调试，只有两个设备，手头只有一个 120Ω 电阻，接任意一端也可以短暂通讯，但是高速波特率抗干扰能力下降。

2.3.4 典型故障现象

故障现象：125K 低速波特率通讯正常；切换 500K、1M 波特率大量丢包、偶发通讯失败。 故障根因：缺少终端电阻，低速下信号反射影响小，高速时波形畸变严重。 解决方案：总线两端补上 120Ω 电阻。

拓展坑：接了三个或者四个 120Ω 电阻，总线等效电阻过小，收发器负载过重，同样通讯异常。

2.4 CAN 硬件状态检测完整代码（STM32 HAL 库）

下面代码可以直接放进工程，用于调试阶段实时获取总线错误状态，快速定位硬件故障。

#include "can.h"
#include "stdio.h"

//总线状态 0正常 1总线离线BusOff 2应答错误 3信号/时序错误
uint8_t g_can_bus_state = 0;

/**
 * @brief CAN硬件故障检测，循环调用
 */
void CAN_Hardware_Detect(void)
{
    uint32_t err_code = HAL_CAN_GetError(&hcan);
    HAL_CAN_ClearError(&hcan);

    if(err_code == HAL_CAN_ERROR_NONE)
    {
        g_can_bus_state = 0;
        return;
    }

    if(err_code & HAL_CAN_ERROR_BUSOFF)
    {
        g_can_bus_state = 1;
        printf("[CAN ERR] BusOff总线离线！检查：120Ω电阻、CAN_H/L接线、收发器供电\r\n");
    }
    else if(err_code & HAL_CAN_ERROR_ACK)
    {
        g_can_bus_state = 2;
        printf("[CAN ERR] ACK应答错误！总线上没有接收节点在线\r\n");
    }
    else if((err_code & HAL_CAN_ERROR_BIT) || (err_code & HAL_CAN_ERROR_TIMEOUT))
    {
        g_can_bus_state = 3;
        printf("[CAN ERR]信号异常！检查波特率匹配、线路接触、电磁干扰\r\n");
    }
}

/**
 * @brief 判断CAN发送邮箱是否空闲
 * @retval 1空闲，0繁忙
 */
uint8_t CAN_Check_Bus_Idle(void)
{
    if((hcan.State == HAL_CAN_STATE_READY) && (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) > 0))
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

/**
 * @brief 安全发送封装，发送前检测总线状态
 * @param id 标准ID
 * @param buf 数据缓存
 * @param len 长度0~8
 * @retval 0成功，1总线繁忙，2总线异常
 */
uint8_t CAN_Send_Safe(uint16_t id, uint8_t *buf, uint8_t len)
{
    if(g_can_bus_state != 0)
    {
        return 2;
    }
    if(!CAN_Check_Bus_Idle())
    {
        return 1;
    }

    CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;
    uint32_t tx_mailbox;
    tx_header.IDE = CAN_ID_STD;
    tx_header.StdId = id;
    tx_header.RTR = CAN_RTR_DATA;
    tx_header.DLC = len;
    tx_header.TransmitGlobalTime = DISABLE;

    if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, buf, &tx_mailbox) == HAL_OK)
    {
        return 0;
    }
    return 1;
}

使用说明

1. 主循环周期调用CAN_Hardware_Detect()；
2. 业务发送优先调用CAN_Send_Safe()，避免总线异常状态下反复调用底层发送函数，加重报错；
3. 出现 BusOff 时，硬件上优先排查接线、终端电阻、收发器供电。

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第二章到此结束。