【STM32 CAN通信实战指南】从原理到代码，手把手教你玩转CAN总线

[摘要]
CAN（Controller Area Network）是广泛应用于工业控制、汽车电子等领域的可靠通信协议。本文基于STM32F1系列微控制器，深入解析CAN总线原理，并提供完整的配置代码和实验流程，帮助开发者快速掌握CAN通信核心技术。

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一、CAN总线基础原理

1.1 CAN协议核心特点

• 多主结构：总线上所有节点地位平等，均可主动发送数据

• 非破坏性仲裁：通过ID优先级解决总线冲突

• 高可靠性：CRC校验、错误检测与自动重发机制

• 双线差分信号：CAN_H和CAN_L组成抗干扰传输线

1.2 CAN帧格式（标准帧）

字段	长度	说明
SOF	1 bit	帧起始
ID（11位）	11 bits	报文标识符
RTR	1 bit	远程传输请求标志
IDE	1 bit	标识符扩展位（0=标准帧）
r0	1 bit	保留位
DLC	4 bits	数据长度码（0-8字节）
Data Field	0-8字节	数据内容
CRC	15 bits	循环冗余校验码
ACK	2 bits	应答
EOF	7 bits	帧结束

1.3 STM32 CAN控制器（bxCAN）

• 支持CAN 2.0A/B协议

• 3个发送邮箱

• 2个接收FIFO，每个FIFO 3级深度

• 可配置位时间参数

• 28个过滤器组（STM32F103）

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二、硬件设计

2.1 典型电路连接

STM32 CAN_TX --> TJA1050 TXD
STM32 CAN_RX <-- TJA1050 RXD
TJA1050 CAN_H -- 120Ω -- CAN_H
TJA1050 CAN_L -- 120Ω -- CAN_L

2.2 关键参数计算

波特率计算公式：
波特率 = APB1时钟 / (Prescaler * (BS1 + BS2 + 1))
例如：APB1=36MHz，目标波特率500kbps
设置Prescaler=6, BS1=5, BS2=3
实际波特率 = 36MHz / (6*(5+3+1)) = 500kbps

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三、软件配置（基于STM32CubeMX+HAL库）

3.1 CubeMX配置步骤

1. 选择CAN模式：Normal或Loopback（自测试）

2. 配置参数：

   • Prescaler: 分频系数

   • Time Quantum: 1/(APB1时钟/Prescaler)

   • BS1: 时间段1（5-20 Tq）

   • BS2: 时间段2（1-16 Tq）

3. 启用CAN中断（可选）

3.2 过滤器配置

CAN_FilterTypeDef filter;

filter.FilterBank = 0;
filter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
filter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
filter.FilterIdHigh = 0x123 << 5;  // 标准ID左移5位
filter.FilterMaskIdHigh = 0x7FF <<5;
filter.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
filter.FilterActivation = ENABLE;
HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);

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四、代码实现

4.1 CAN初始化

void MX_CAN_Init(void)
{
  hcan.Instance = CAN1;
  hcan.Init.Prescaler = 6;
  hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
  hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_5TQ;
  hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_3TQ;
  hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;
  hcan.Init.AutoBusOff = DISABLE;
  hcan.Init.AutoWakeUp = DISABLE;
  hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE;
  hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
  hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;
  
  HAL_CAN_Init(&hcan);
}

4.2 发送数据

void CAN_SendMessage(uint32_t id, uint8_t* data, uint8_t len)
{
  CAN_TxHeaderTypeDef txHeader;
  uint32_t txMailbox;
  
  txHeader.StdId = id;
  txHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;
  txHeader.IDE = CAN_ID_STD;
  txHeader.DLC = len;
  txHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;
  
  if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &txHeader, data, &txMailbox) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

4.3 接收数据（中断方式）

// 启动CAN接收
HAL_CAN_Start(&hcan);
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);

// 接收回调函数
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
  CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader;
  uint8_t rxData[8];
  
  HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rxHeader, rxData);
  
  printf("Received ID: 0x%03X, Data: ", rxHeader.StdId);
  for(int i=0; i<rxHeader.DLC; i++){
    printf("%02X ", rxData[i]);
  }
  printf("\n");
}

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五、实验验证

5.1 硬件连接

• 两个STM32开发板通过CAN收发器连接

• 终端电阻配置：总线两端各接120Ω电阻

5.2 测试结果

发送端发送：ID=0x123, Data=AA 55 01 02
接收端显示：Received ID: 0x123, Data: AA 55 01 02

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六、常见问题排查

1. 无法进入中断

   • 检查NVIC中断使能

   • 确认过滤器配置正确

   • 验证HAL_CAN_Start()已调用

2. 波特率不匹配

   • 使用示波器测量实际波特率

   • 重新计算时间参数

3. 发送失败

   • 检查CAN控制器是否进入Bus-Off状态

   • 使用CAN分析仪监控总线活动

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七、扩展应用

• CANopen协议栈移植

• 多节点组网通信

• 汽车诊断协议（ISO-TP）实现