STM32 CAN通信实战指南

STM32F103RBT6 HAL库 CAN开发实战：从零到稳定通信的完整实现

在工业控制和车载电子系统中，CAN总线几乎是不可或缺的通信骨干。尽管协议本身已有多年历史，但在实际嵌入式开发中，尤其是使用STM32这类主流MCU时，依然有不少“坑”会让开发者反复调试、夜不能寐。最近在一个基于 STM32F103RBT6 的小型远程IO模块项目中，我们完成了CAN通信的完整打通，过程中踩过初始化失败、收不到帧、波特率不匹配等问题。本文将结合真实硬件验证经验，分享一套 可直接复用的HAL库CAN代码框架 ，并深入剖析关键配置逻辑。

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为什么选择STM32F103RBT6 + HAL库？

STM32F103RBT6作为F1系列的经典型号，虽然不算最新，但凭借其成熟的生态、丰富的外设支持（包括双CAN接口）以及广泛的应用基础，仍然是许多中小型控制系统的核心控制器。它搭载Cortex-M3内核，主频72MHz，配备128KB Flash和20KB SRAM，足以支撑复杂的实时任务。

而ST官方提供的 HAL库 ，虽然相比直接操作寄存器略显“臃肿”，但在团队协作、项目维护和跨平台移植方面优势明显。尤其对于需要快速迭代的产品开发，使用HAL可以显著降低出错概率，避免因底层细节疏忽导致的稳定性问题。

当然，代价是性能上会有些许损失——比如发送一个CAN帧可能多出几十个CPU周期。但在绝大多数工业场景下，这种开销完全可以接受。

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CAN控制器核心机制解析

STM32F1系列内置的是 bxCAN（basic Extended CAN）控制器 ，支持CAN 2.0A/B标准，具备完整的硬件处理能力。这意味着一旦配置完成，数据收发几乎不需要CPU干预，非常适合高实时性要求的系统。

关键特性一览

• 支持标准帧（11位ID）与扩展帧（29位ID）
• 最高波特率可达1Mbps
• 3个发送邮箱（硬件自动仲裁）
• 2个接收FIFO（各可容纳3帧）
• 14组过滤器，支持列表或掩码模式
• 多种中断源：接收就绪、发送完成、错误状态等

这些特性让bxCAN既能应对简单点对点通信，也能胜任多节点网络中的复杂交互。

工作流程简述

整个CAN通信过程大致分为四个阶段：

1. 初始化模式 ：关闭正常通信，配置时钟分频、波特率参数、工作模式。
2. 过滤器设置 ：决定哪些ID范围的消息能进入接收FIFO。
3. 进入正常模式 ：启动控制器，开始监听总线。
4. 数据交互 ：
   - 发送：调用API将消息放入发送邮箱 → 硬件自动择机发出
   - 接收：匹配的消息被存入FIFO → 触发中断或轮询读取

这个流程看似简单，但每一步都藏着细节陷阱，特别是波特率计算和过滤器配置。

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实战代码详解：从初始化到收发

以下所有代码均已在Keil MDK环境下编译通过，并运行于搭载TJA1050收发器的真实电路板上，持续通信数小时无丢包。

1. CAN初始化配置

static CAN_HandleTypeDef hcan;

int MX_CAN_Init(void)
{
    hcan.Instance = CAN1;
    hcan.Init.Prescaler = 9;               
    hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;      
    hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
    hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_8TQ;      
    hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_7TQ;      
    hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;
    hcan.Init.AutoBusOff = ENABLE;         
    hcan.Init.AutoWakeUp = DISABLE;
    hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE; 
    hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
    hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;

    if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

这段代码完成了CAN1的基本参数设定。重点在于波特率相关参数的理解：

假设APB1时钟为36MHz（系统时钟72MHz分频而来）， Prescaler=9 意味着每个时间量子（TQ）长度为：

TQ = 1 / (36MHz / 9) = 250ns

然后BS1占8TQ，BS2占7TQ，加上同步段1TQ，总共16TQ每比特：

Bit Time = 16 × 250ns = 4μs → 波特率 = 1 / 4μs = 250kbps

如果你希望跑500kbps或1Mbps，只需调整Prescaler即可。例如500kbps对应2μs位时间，即8TQ，此时可设 Prescaler=4 ，BS1=5TQ，BS2=2TQ。

⚠️ 经验提示：采样点建议设置在75%~85%之间（本例为(1+8)/16=56.25%，稍靠前）。若通信距离较长或环境干扰大，应适当后移采样点以提高稳定性。

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2. 过滤器配置：别让“白名单”拦住了你的数据

CAN过滤器常被认为是“最难搞懂”的部分。其实只要理解两种模式的本质就容易多了：

• 掩码模式（Mask Mode） ：用一个掩码来指定哪些位必须匹配，哪些位忽略
• 列表模式（List Mode） ：精确列出允许通过的ID

下面是调试阶段常用的“通吃所有标准帧”配置：

static void CAN_FilterConfig(void)
{
    CAN_FilterTypeDef sFilterConfig = {0};

    sFilterConfig.FilterBank = 0;
    sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
    sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
    sFilterConfig.FilterIdHigh = 0x0000;
    sFilterConfig.FilterIdLow = 0x0000;
    sFilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0000;  // 全0表示不关心高位
    sFilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0000;   // 全0表示不关心低位
    sFilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
    sFilterConfig.FilterActivation = ENABLE;
    sFilterConfig.SlaveStartFilterBank = 14;  // F1无主从，填14

    if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &sFilterConfig) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

这里的关键是： FilterIdLow = 0 , FilterMaskIdLow = 0 表示低16位全忽略，相当于接收所有标准ID（0x000 ~ 0x7FF）。

但在正式产品中，强烈建议根据通信矩阵明确指定ID范围。例如只接收0x201命令帧：

sFilterConfig.FilterIdLow = 0x201 << 5;           // 标准ID左移5位填充低字
sFilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x7FF << 5;       // 只匹配低11位

这样可以有效防止总线上无关流量占用FIFO资源。

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3. 数据发送：如何确保可靠送达？

int CAN_Transmit(uint16_t std_id, uint8_t *tx_data, uint8_t len)
{
    uint32_t TxMailbox;
    CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader = {0};

    TxHeader.StdId = std_id;
    TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;
    TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;
    TxHeader.DLC = len;
    TxHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;

    if (HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &TxHeader, tx_data, &TxMailbox) == HAL_OK) {
        // 可选：等待发送完成（阻塞方式）
        while (HAL_CAN_IsTxMessagePending(&hcan, TxMailbox));
        return 0;
    }
    return -1;
}

HAL_CAN_AddTxMessage() 是非阻塞调用，只要发送邮箱有空闲就会立即返回成功。因此，如果后续要确认是否真正发出，可以通过轮询 HAL_CAN_IsTxMessagePending() 来判断。

更高效的做法是开启发送中断：

HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_TX_MAILBOX_EMPTY);

然后在回调函数 HAL_CAN_TxMailbox0CompleteCallback() 中触发下一次发送，形成流水线式调度，特别适合周期性上报传感器数据的场景。

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4. 接收处理：中断驱动才是正道

轮询方式虽然简单，但在多任务系统中效率低下。推荐采用中断方式处理接收事件。

首先使能FIFO0的消息挂起中断：

if (HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
}

接着在 stm32f1xx_it.c 中添加中断服务函数：

void CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
    HAL_CAN_IRQHandler(&hcan);
}

最后在回调中提取数据：

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
    CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
    uint8_t rx_data[8];

    if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data) == HAL_OK) {
        if (rx_header.StdId == 0x201) {
            // 处理控制指令
            parse_command(rx_data, rx_header.DLC);
        }
        else if (rx_header.StdId == 0x301) {
            // 处理远程查询
            respond_status();
        }
    }
}

✅ 极重要原则： 中断服务中不要做耗时操作！ 像printf打印、浮点运算、内存拷贝等都应移到主循环中处理。理想做法是把接收到的数据压入环形缓冲区或RTOS队列，由后台任务统一解析。

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典型应用场景与系统架构

在一个典型的分布式IO系统中，STM32F103RBT6往往作为边缘节点存在：

[温度传感器] → [ADC采集]
                    ↓
              [STM32F103] ←CAN→ [PLC / 主控HMI]
                    ↑
             [继电器输出模块]

工作流程如下：

1. 上电后初始化CAN外设（GPIO、时钟、中断）
2. 配置过滤器仅接收目标命令ID（如0x201）
3. 主循环中执行本地任务（定时采样、按键检测）
4. 当收到主控指令时，在中断中唤醒处理逻辑
5. 按需回传状态帧（如0x301）

这样的结构实现了“低延迟响应 + 高效资源利用”的平衡。

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常见问题排查清单

❌ 问题一：CAN总线完全静默，TX引脚无波形

这通常不是软件问题，而是硬件连接错误：

• 检查PA11(CAN_RX)和PA12(CAN_TX)是否正确连接？
• GPIO是否配置为 GPIO_MODE_AF_PP （复用推挽）？且速度设为 GPIO_SPEED_FREQ_HIGH ？
• 是否加了终端电阻？长距离通信两端各需120Ω并联
• 收发器电源是否共地？隔离方案需注意GND分离

建议先用示波器观察TX引脚是否有信号输出，确认初始化已生效。

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❌ 问题二：能发不能收，或只能收到部分ID

最大可能是过滤器配置不当：

• 掩码设置太严，误屏蔽了合法帧
• 使用了扩展帧但配置为标准帧模式
• FIFO溢出未处理，导致后续帧丢失

临时解决方案：改为“接收所有帧”测试连通性。如果此时能收到，则说明问题出在过滤器逻辑。

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❌ 问题三：通信不稳定，偶尔丢包

根本原因往往是 波特率不一致或采样点不合理 。

不同节点间即使标称同为500kbps，也可能因为时钟源精度差异导致累积误差。建议：

• 所有节点使用相同晶振（最好外部8MHz）
• 使用专业工具（如CAN Baud Rate Calculator）统一计算参数
• 在示波器上观察实际波形，检查采样点位置

此外，启用错误中断也很有必要：

HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_ERROR_WARNING | CAN_IT_BUSOFF);

并在 HAL_CAN_ErrorCallback() 中记录错误类型和次数，便于现场诊断。

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设计建议与工程最佳实践

项目	推荐做法
波特率选择	250kbps适用于长距离（<1km），500kbps用于设备内部高速通信
ID规划	提前制定通信协议文档，避免ID冲突
错误处理	启用BUS_OFF和WARNING中断，记录故障次数用于自恢复
中断优先级	设置为较高优先级（如NVIC_PriorityGroup_4中优先级≥2）
物理层增强	超过10米传输建议使用CTM8251等隔离收发模块
软件架构	采用“中断收包 + 主循环解析”模式，避免阻塞

对于未来升级路径，也可以考虑：

• 移植到FreeRTOS环境，使用消息队列解耦CAN任务
• 实现轻量级CANopen协议栈，提升互操作性
• 更换为支持CAN FD的芯片（如STM32G4），突破传统CAN 1Mbps限制

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掌握STM32平台下的CAN开发，不仅是学会几个API调用，更是理解嵌入式通信系统的整体设计思路。本文所提供的这套经过实测验证的代码框架，已经剥离了无关依赖，结构清晰、注释完整，可直接集成进新项目中。

当你下次面对“CAN怎么又不通了”的焦虑时，不妨回头看看这份来自实战的经验总结——也许那个困扰你一夜的问题，只是少了一个终端电阻，或是过滤器掩码写错了两位。