本文整理自个人 CAN 总线学习笔记，面向刚接触 CAN 的嵌入式初学者。从"CAN 是什么"讲起，依次梳理总线拓扑与工作过程、物理层差分信号、协议层的帧结构与位时序/仲裁，最后落到 STM32 的 bxCAN 控制器（工作模式、收发流程、接收过滤器）与 HAL 库驱动的基本步骤。基于 STM32 + HAL 库。

一、CAN 是什么
1.1 产生背景与历史
CAN（Controller Area Network，控制器局域网），是一种 ISO 国际标准化的串行通信协议。

它的诞生是为了满足汽车产业的两个需求：

减少线束的数量——汽车电子设备越来越多，线束又重又贵；
通过多个 LAN 进行大量数据的高速通信。
历史脉络：

1986 年：博世（Bosch）公司开发出 CAN 通信协议；
1993 年：ISO 发布标准 ISO11898（高速 CAN） 与 ISO11519（低速 CAN）；
2011 年：博世公司开发出 CAN FD；
如今 CAN 已成为汽车网络标准协议之一。
1.2 CAN 的分类
类型 标准 通信速率 总线长度
低速 CAN ISO11519 10 ~ 125 Kbps 可达 1000 米
高速 CAN ISO11898 125 Kbps ~ 1 Mbps ≤ 40 米
CAN FD 兼容经典 CAN（遵循 ISO11898-1 收发） 可达 5 Mbps —
CAN FD 兼容经典 CAN，是对经典 CAN 的高速扩展。

二、CAN 总线拓扑与工作过程
2.1 总线组成
一条 CAN 总线由三个层次组成：

CAN 控制器：MCU 内部的片上外设（STM32 内部就有这个外设），每个节点都要有一个；
CAN 收发器：与其他元器件组成芯片电路，负责电平转换与保护；
总线：由 CANL 和 CANH 两根线组成，允许挂载多个节点（低速 CAN 约 20 个、高速 CAN 约 30 个）。
几个关键点：

低速 CAN 使用开环总线，高速 CAN 使用闭环总线；
总线两端都有匹配电阻（也叫终端电阻），用于阻抗匹配、减少回波反射；
收发器把处理好的电压（差分信号）传递到 CAN 总线上。
一个便于理解的类比：CAN 总线结构类似美国式联邦政府——各州（节点）平时独立处理本地事件，但始终处于"美国"（CAN 总线）这个大框架之下；需要联合行动时，按大框架的规则配合。

2.2 发送过程
CAN 控制器（集成在 MCU 内部）负责处理 CAN 协议的逻辑、数据帧封装/解析，输出逻辑电平信号（TX/RX）；
CAN 收发器接收控制器发来的逻辑电平，转换成对应的差分电平输出给总线；
收发器同时具有过压保护和抗干扰的作用。
2.3 接收过程（三步）
总线是双向的，当某个控制器发送的数据最终传到总线上时：

① 收发器反向工作：所有节点的 CAN 收发器都时刻在监听总线。收到总线上的差分电平信号后，利用差分特性过滤掉噪音（抗干扰），再翻译回普通的 0/1 电平，顺着 CAN_RX 引脚传递给 MCU 内部的 CAN 控制器。

② 控制器筛选处理：控制器收到信号后，不会立刻丢给 CPU，而是先做两个判断：

硬件过滤：看一眼数据包的 ID，不是发给自己的，直接在硬件层面丢弃，完全不让 CPU 知道——这是 CAN 省资源的关键；
硬件校验：自己再算一遍 CRC 校验码，和发过来的不一致（说明受到干扰、数据损坏），同样直接丢弃。
③ 触发中断：经判断 ID 匹配且数据完好后，控制器将数据存入缓存，并向 CPU 触发一个硬件中断；CPU 收到中断后，经过中断控制来处理数据并执行对应操作。

2.4 CAN 总线特点
多主控制：每个设备都可以主动发送数据；
系统的柔软性：没有类似"地址"的信息，添加设备不改变原来总线的状态；
通信速度：速度快、距离远；
错误检测 / 错误通知 / 错误恢复：三位一体；
故障封闭：判断故障类型，并且进行隔离；
连接节点多：通常根据实际情况，在速度和数量之间找平衡。
CAN 总线协议已广泛应用在汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

三、CAN 物理层
3.1 差分信号与总线电平
CAN 使用差分信号进行数据传输，根据 CAN_H 与 CAN_L 上的电位差来判断总线电平：

总线电平分为显性电平（逻辑 0）与隐性电平（逻辑 1），二者必居其一；
显性电平具有优先权；
发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
高速 CAN 经典电平值：

电平 CAN_High CAN_Low 电位差
显性电平（0） 3.5V 1.5V 2V
隐性电平（1） 2.5V 2.5V 0V
低速 CAN 经典电平值：

电平 CAN_High CAN_Low 电位差
显性电平（0） 4V 1V 3V
隐性电平（1） 1.75V 3.25V -1.5V
表格及图中的电平值只是经典值，实际上数据手册中提供的是 CAN 总线电平值的范围。

3.2 常见收发器芯片
常见的 CAN 收发器芯片有 TJA1050、TJA1042、SIT1050T。以 SIT1050T 为例：支持高速 CAN，传输速率可达 1Mbps（其 TXD/RXD 引脚分别连接 CAN 控制器的发送/接收引脚）。

四、CAN 协议层
4.1 五种帧
CAN 总线以"帧"的形式进行通信，协议定义了 5 种帧：

帧类型 作用
数据帧（Data Frame） 发送单元向接收单元传输数据（最常用）
遥控帧（Remote Frame） 接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据（较常用）
错误帧（Error Frame） 检测出错误时向其他单元通知错误
过载帧（Overload Frame） 接收单元通知外部自己尚未做好接收准备
间隔帧（Inter Frame Space） 将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开
4.2 数据帧的 7 段结构
数据帧由 7 段组成，又分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B），区别主要体现在仲裁段和控制段。

① 帧起始段：仅 1 bit，表示数据帧开始，是显性电平（0）。

② 仲裁段：表示该帧优先级的段。

标准帧的仲裁段只有两部分：
ID（11bit）：标识符位，体现优先级信息；
RTR（1bit）：远程传输请求位——显性（0）代表此帧是数据帧，隐性（1）代表此帧是遥控帧（之后的各段按遥控帧的格式解析）。
扩展帧的仲裁段有五部分：
基础 ID（11bit）：标识符位，体现优先级信息；
SRR（1bit）：仅"在意义上替代一下 RTR"，并没有什么实际含义，作用是保持仲裁段结构的一致性，在扩展帧中始终为隐性电平（1）；
IDE（1bit）：扩展标识符位，用于标识当前帧是标准帧还是扩展帧——显性（0）= 标准帧，隐性（1）= 扩展帧；
扩展 ID（18bit）：与基础 ID 组合形成完整的 29 位标识符，扩展可用 ID 的数量，同样体现优先级信息；
RTR（1bit）：远程传输请求位。
③ 控制段：表示数据的字节数以及保留位的段。

标准帧控制段：IDE（1bit）（含义同上）+ R0 保留位（1bit） + DLC（4bit）；
扩展帧控制段：两个保留位（各 1bit） + DLC（4bit）（扩展帧的 IDE 已在仲裁段中出现，故控制段不再有）。
其中保留位是 CAN 协议官方为未来协议升级或功能扩展预留的"空位"，当前版本必须设为显性电平（0）；DLC（4bit） 是数据长度编码位，其存储的信息表示接下来的数据段内有多少个字节的数据。

④ 数据段：存储数据的具体内容，一帧可发送 0 ~ 8 字节的数据。

⑤ CRC 段：检查帧的传输错误的段。

CRC（15bit）：循环冗余校验位。发送节点把每一帧 CRC 段之前的所有数据经特定多项式计算后，赋值到 CRC 部分；接收节点收到数据后用同样的公式重算——结果与收到的 CRC 值不一致，说明数据在传输中出错（比如被电磁干扰），接收方会立即报错并丢弃这帧数据；
DEL（1bit）：CRC 界定符，表示 CRC 校验部分结束，必须是隐性电平（1）。
⑥ ACK 段：表示确认正常接收的段，类似于 IIC 中的应答信号。

ACK（1bit）：确认位。发送单元先将其置为隐性（1）；经过校验准确后，接收单元会主动在总线上将此信号拉低为显性（0）；发送单元此时同时在监听总线，就知道传输成功了；
DEL（1bit）：界定符，必须是隐性电平（1）。
⑦ 帧结束段：表示数据帧结束，占 7bit，使用 7 个隐性信号（1）表示结束。

4.3 位时序与位同步
CAN 总线以"位同步"机制实现对电平的正确采样。每一位数据都由四个时间段组成：

同步段（SS）
传播时间段（PTS）
相位缓冲段 1（PBS1）
相位缓冲段 2（PBS2）
每段又由多个时间量子 Tq 组成。采样点是指读取总线电平、并将读到的电平作为位值的点。采样的前提条件：节点监测到总线上信号的跳变在自己的 SS 段范围内，表示节点与总线的时序是同步的，此时采样点的电平即该位的电平。

每一位数据对应的位时间并不是固定值，而是有一个范围：8 ~ 25 个 Tq；
根据位数据的位时序数量，可以计算 CAN 通信的波特率。
由于时钟频率误差、传输上的相位延迟会引起偏差，需要进行数据同步。数据同步的主要目标是使采样点同步（或者说采样点正确），分为硬件同步和再同步：

同步方式 触发信号 特点
硬件同步 帧起始信号 只同步一次：把 SS 段平移到监测到边沿的地方
再同步 普通数据位的边沿 持续进行，确保后续数据的同步
硬件同步：节点发送数据一开始会发送帧起始信号，总线上其他节点检测帧起始信号是否落在自己位时间的 SS 段内，判断内部时序与总线是否同步。假如不在 SS 段内，采样点获得的电平状态是不正确的，节点就用硬件同步的方式调整，把自己的 SS 段平移到监测到边沿的地方，获得同步。

再同步：利用普通数据位的边沿信号（帧起始信号是特殊的边沿信号）进行同步，分超前与滞后两种情况：

超前（边沿信号超前于 SS 段，出现在上一位数据的 PBS2 中）：硬件逻辑会在上一位数据的 PBS2 缓冲区中丢弃对应长度的时间；
滞后（边沿信号滞后于 SS 段，出现在当前位数据的 PTS 中）：硬件逻辑会在当前位数据的 PBS1 缓冲区结尾插入对应长度的空闲时间或重复采样点。
再同步时 PBS1 和 PBS2 中增加或减少的时间称为"再同步补偿宽度（SJW）"，范围是 1 ~ 4 Tq。限定了（最大的）SJW 值后，再同步时不能增加限定长度外的 SJW 值。SJW 值较大时吸收误差能力更强，但是通信速度会下降。

4.4 总线仲裁
CAN 总线的仲裁由优先级决定，但不存在"抢占"——优先级的权力只体现在同时发送时：

总线处于空闲状态时，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）的第一位开始仲裁：连续输出显性电平最多的单元可继续发送，即首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权、变为接收；
利用 CAN 控制器的回读机制，节点可判断自己是否在总线仲裁中失利；
竞争失败的单元会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。
五、STM32 CAN 控制器（bxCAN）
5.1 bxCAN 简介
STM32 的 CAN 控制器（bxCAN）支持 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active 版本协议。三者对扩展帧的处理能力不同：

控制器版本 标准帧 扩展帧
CAN 2.0A 可处理 识别为错误
CAN 2.0B Active 可处理 可处理
CAN 2.0B Passive 可处理 忽略
bxCAN 主要特点：

波特率最高可达 1 Mbps；
支持时间触发通信（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）；
具有3 级发送邮箱；
具有 3 级深度的 2 个接收 FIFO；
可变的过滤器组（最多 28 个）。
5.2 工作模式与测试模式
工作模式（三种）：初始化模式、正常模式、睡眠模式。

模式 说明
初始化模式 需要对寄存器进行配置（软件初始化）时进入
正常模式 总线同步完成后即可收发，正常通信
睡眠模式 复位后默认进入，总线空闲，优点是降低功耗
测试模式（三种，在初始化模式下进行配置）：静默模式、环回模式、环回静默模式。

模式 行为 用途
静默模式 发送端相当于断路、与外界无关联，无法拉低总线电平，只能发送隐性信号 1；接收端正常工作，可接收总线数据 可用来统计总线流量
环回模式 接收端短接到发送端，发送的数据直接到 CAN 控制器的输入；总线能监测到发送的数据，但控制器不能从总线接收数据 可自检
环回静默模式 发送端与接收端短接且都与总线断路：总线监测不到发送的数据，CAN 也不能接收总线上的数据 可进行不影响总线的自检
5.3 控制器框图
以 F1、F4、F7 的框图为例（H7 使用的 CAN FD 有所不同；过滤器组也不是每款 STM32 都有）。

CAN 内核：包含各种控制/状态/配置寄存器，可配置模式、波特率等；其中 CAN1 是主内核，CAN2 是从内核（不是每款 STM32 都有）；
发送邮箱：缓存待发送的报文，最多 3 个，配有发送调度装置；
接收 FIFO：缓存接收到的有效报文；
接收过滤器：筛选有效报文。
5.4 发送处理流程
发送数据前，首先选择一个空置邮箱；
设置标识符（ID）、发送长度（DLC）、发送数据（DATA），将数据帧设置完整后放入邮箱（通常是放入编号最小的空置邮箱）；
邮箱退出空状态后，会自动请求数据发送，进入挂号状态；
挂号状态下，邮箱等待成为优先级最高的邮箱；
成为最高优先级后，进入预定发送状态，接着等待总线进入空闲状态；
总线空闲时，邮箱进入发送状态，报文发送成功，邮箱重新回到空置状态。
发送优先级由邮箱中报文的标识符（ID）决定：ID 数值越低优先级越高；如果标识符值相同，则邮箱编号小的先被发送。

5.5 接收处理流程
空置的 FIFO 接收到经过滤器过滤后得到的有效报文，进入"挂号_1"状态；
此时读取 FIFO 邮箱中的报文并释放（将对应寄存器的对应位置 1），即可清除该状态，FIFO 的挂起数量减 1（此操作可在任意挂起状态下进行）；
否则，FIFO 继续收到有效报文时，进入"挂号_2"状态，接着继续接收会进入"挂号_3"状态（FIFO 中有效报文的数量可从寄存器的 FMP 位得知）；
如果在"挂号_3"状态下 FIFO 依然收到有效报文，就会进入溢出状态，出现报文丢失问题（报文是否丢失取决于 FIFO 的锁定功能）；
报文全部读取后，FIFO 重新进入空置状态。
有效报文 = 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的过滤。

5.6 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。过滤器的存在意义就是选择性接收有效报文，减轻系统负担。

每个过滤器组都有两个 32 位寄存器 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2（根据过滤器组的工作模式不同，寄存器的作用不尽相同），位宽可设置为 32 位或 16 位：

32 位宽模式：一个过滤器组（比如 F0）只处理一个完整的 32 位数据，通常用于过滤扩展帧；
16 位宽模式：寄存器由两部分组成，相当于过滤器被拆成两个独立的 16 位过滤器，通常用于同时过滤两个标准帧（其中的 EXTID 即扩展 ID 部分只是占位，标准帧中不存在扩展 ID）。
工作模式可选择屏蔽位模式或标识符列表模式：

屏蔽位模式：R1 存放一帧数据，R2 设置条件（掩码）——位值为 1 表示必须匹配，0 表示不关心（即 R2 中第 a 位是 1，则只有第 a 位与 R1 中数据相同状态的数据才可以通过过滤器）。针对标识符中的一部分做筛选，可选出一组符合条件的报文；
标识符列表模式：针对整个标识符，可以选择出几个特定 ID 的报文。
注意点：

标识符选择位 IDE 和帧类型 RTR 需要一致；
不同过滤器组的工作模式可以设置为不同；
在使能过滤器的情况下，总线上广播的报文 ID 与过滤器的配置都不匹配时，CAN 控制器会丢弃该报文，不会进入接收 FIFO。
5.7 STM32 位时序与波特率
STM32 的 CAN 外设位时序分为三段：

同步段 SYNC_SEG
时间段 1 BS1（= 协议中的 PTS + PBS1）
时间段 2 BS2
波特率的计算：TS1（相位缓冲段 1）、TS2（相位缓冲段 2）都在寄存器中定义，与 BRP 共同决定波特率（对于 F103 来说，BRP 的值是 1/36M，即 CAN 时钟为 36MHz 时不分频）：

波特率 = CAN 时钟 / (BRP × (1 + TS1 + TS2))

通信双方波特率需一致才能通信成功。

六、HAL 库驱动基本步骤
CAN 参数初始化：设置工作模式、波特率等 → HAL_CAN_Init；
使能 CAN 时钟 + 初始化相关引脚：GPIO 的模式需设为复用功能模式，这两个操作放到 CAN 初始化回调函数 HAL_CAN_MspInit 中完成；
设置过滤器：通过 HAL_CAN_ConfigFilter 完成过滤器的初始化配置；
CAN 数据接收和发送：HAL_CAN_AddTxMessage 发送数据，HAL_CAN_GetRxMessage 接收数据；
中断（按需）：使用 __HAL_CAN_ENABLE_IT 使能 CAN 相关中断，配置 NVIC，编写中断服务函数。
注意事项：

使能 CAN2（从 CAN）时，需要先使能 CAN1（主 CAN）；
重要结构体：CAN_InitTypeDef、CAN_FilterTypeDef 和 CAN_TxHeaderTypeDef / CAN_RxHeaderTypeDef。
总结
CAN 是什么：为汽车"减少线束、多 LAN 高速通信"而生的 ISO 标准化串行通信协议，从经典 CAN 一路发展到 CAN FD；
物理层：差分信号按 CAN_H/CAN_L 电位差判电平；显性（0）优先、隐性（1）；高速/低速 CAN 电平值不同，以数据手册范围为准；
协议层：5 种帧；数据帧 7 段（帧起始/仲裁/控制/数据/CRC/ACK/帧结束），标准帧 vs 扩展帧的区别主要在仲裁段和控制段；
位时序：SS/PTS/PBS1/PBS2 + Tq；硬件同步（帧起始、只一次）+ 再同步（普通边沿、持续）；SJW 越大容错越强、速度越慢；
仲裁：没有"抢占"；同时发送时显性连续最多者胜，先出现隐性电平者退出转接收，失败后自动重试；
bxCAN：CAN 2.0B Active 才能完整处理扩展帧；3 级发送邮箱、2 个接收 FIFO、最多 28 个过滤器组；过滤器有 32/16 位宽和屏蔽/列表两种模式；
HAL 上手：Init → MspInit（时钟 + GPIO 复用）→ ConfigFilter → AddTxMessage / GetRxMessage → 中断（按需）；CAN2 依赖 CAN1。
待学习（诚实标注）：CAN 相关寄存器介绍、CAN 相关 HAL 库驱动细节尚未学完，学完后再补充更新本文。

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