CAN - 控制器局域网络接口

2025/02/12 更新

控制器局域网（Controller Area Network, CAN）作为工业自动化和汽车电子领域的核心通信技术，以其高可靠性和实时性著称。下面我们将基于W55MH32以太网单片机的bxCAN（基本扩展 CAN）模块，系统讲解CAN通信的原理、架构及实际应用要点，和大家一起学习和使用这一技术。

CAN通信概述

简介

CAN（Controller Area Network）是一种用于实时控制的串行通信总线，由博世公司开发，广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域。

功能特点

CAN接口有以下特点：

多主通信机制：网络中所有节点均可在任意时刻主动发送数据，无需中央控制器协调。当多个节点同时发送时，通过标识符仲裁决定优先级，确保高优先级消息优先传输。
非破坏性总线仲裁：仲裁过程基于标识符的二进制值，数值越小优先级越高。仲裁失败的节点会自动停止发送，避免总线冲突。
错误处理：集成CRC校验、应答校验等多种错误检测机制，检测到错误时自动发送错误帧，并通过错误计数器实现故障界定（主动错误、被动错误、离线状态）。
实时性保障：通信速率最高可达1Mbps（短距离），满足实时控制场景需求。

CAN帧结构与类型

帧类型	作用	结构特点
数据帧	传输数据	包含帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、应答段和帧结束，数据长度0-8字节。
远程帧	请求其他节点发送数据	无数据段，仲裁段标识符用于标识请求的消息，接收节点接收到远程帧后发送对应数据帧。
错误帧	检测到错误时发送	由错误标志（6个连续显性位）和错误界定符（8个隐性位）组成，所有节点检测到错误时发送。
过载帧	通知其他节点自身接收缓冲器满	用于延缓数据传输，由过载标志和过载界定符组成。

标识符与优先级

CAN帧通过标识符（ID）确定优先级，ID越小优先级越高。
W55MH32支持两种帧格式：

标准帧：11位ID。
扩展帧：29位ID。

标识符不代表节点地址，而是与消息内容相关。例如，汽车中“发动机转速”的消息可能对应标识符0x100，所有订阅该消息的节点均可接收。

W55MH32的bxCAN模块详解

功能特点

W55MH32 集成的 bxCAN（Basic Extended CAN）模块是一款高性能 CAN 控制器，专为减轻 CPU 负荷设计，其关键特性包括：

协议兼容性：完全支持CAN 2.0A和2.0B主动模式，波特率最高1Mbps。
发送处理能力：3个独立发送邮箱，支持优先级配置和时间戳记录（发送帧起始时刻的定时器值）。
接收管理机制：2个3级深度的接收FIFO（FIFO0和FIFO1），硬件自动管理报文存储，减少CPU干预。
灵活的过滤系统：14个可配置的过滤器组，支持32位或16位过滤宽度，可设置为屏蔽位模式或标识符列表模式。
时间触发通信：支持TTCM模式，内部16位定时器为报文添加时间戳，适用于对实时性要求极高的场景。

硬件资源与内存映射

bxCAN模块的硬件资源包括：

引脚连接：通过CANTX和CANRX引脚连接外部收发器（如TJA1050），总线需接120Ω终端电阻。
寄存器组：包含控制寄存器（CAN_MCR）、状态寄存器（CAN_MSR）、发送状态寄存器（CAN_TSR）、接收FIFO寄存器（CAN_RF0R/CAN_RF1R）等，共32个32位寄存器，地址范围0x00至0x31C。
共享内存：与USB模块共用512字节SRAM，用于数据收发缓冲，二者不可同时使用。

时钟与波特率

bxCAN的时钟源自APB1总线，其波特率计算公式为：
波特率 = 系统时钟 / [2 × CAN_BRP × (CAN_SJW + 1 + CAN_BS1 + 1 + CAN_BS2 + 1)]

CAN_BRP：波特率分频器，范围1~1024。
CAN_SJW：重新同步跳跃宽度，决定总线相位误差的补偿能力。
CAN_BS1/CAN_BS2：时间段1 和时间段2，用于定义采样点位置和位时序。

例如，当系统时钟为72MHz，设置CAN_BRP=9、CAN_SJW=1、CAN_BS1=6、CAN_BS2=3时，波特率为1Mbps，采样点位于75%位时间处，兼顾抗干扰性和同步能力。

bxCAN工作模式与状态转换

工作模式

bxCAN支持三种主要工作模式，通过CAN_MCR寄存器配置：

初始化模式

进入条件：软件设置CAN_MCR.INRQ=1，等待CAN_MSR.INAK=1确认。
功能：仅在此模式下可配置波特率（CAN_BTR寄存器）、过滤器组参数（位宽、模式、FIFO关联等）。/CAN_RF1R）等，共32个32位寄存器，地址范围0x00至0x31C。
注意事项：初始化完成后需退出该模式才能正常通信，退出时需等待总线空闲（检测到11个连续隐性位）。

正常模式

工作状态：支持完整的收发功能，节点与总线同步后即可发送和接收报文。
同步机制：通过检测帧起始位（SOF）的上升沿实现位同步，后续通过重新同步调整相位误差。/CAN_RF1R）等，共32个32位寄存器，地址范围0x00至0x31C。
典型应用：工业控制中的数据交互、汽车ECU间的实时通信。

睡眠模式

低功耗设计：时钟停止，仅保留唤醒逻辑，功耗显著降低。
唤醒方式：软件清CAN_MCR.SLEEP位，或硬件检测到总线活动（需设置CAN_MCR.AWUM=1）。
应用场景：电池供电设备的节能模式，如车载传感器的待机状态。

测试模式：静默与环回

为便于开发调试，bxCAN支持两种测试模式，需在初始化模式下配置CAN_BTR寄存器：

静默模式（SILM=1）

特性：可接收数据帧和远程帧，但发送时仅输出隐性位，不影响总线状态。
用途：用于分析总线活动，不干扰现有通信，如故障诊断时的总线监听。

环回模式（LBKM=1）

特性：发送的报文直接在内部回环至接收端，忽略CANRX引脚输入。
用途：自测试场景，无需外部硬件即可验证收发功能，如模块出厂前的自测。

环回静默模式（SILM=1+LBKM=1）

组合特性：兼具环回和静默功能，发送报文不影响外部总线，仅内部回环测试。
安全测试：适用于"热自测试"，避免干扰实际总线通信。

报文发送与接收处理机制

发送处理流程

bxCAN的发送流程由硬件自动管理，软件只需配置邮箱并请求发送：

邮箱选择：3个发送邮箱（邮箱0~2），空闲时可选择任意邮箱。
参数配置：设置标识符（STDID/EXID）、帧类型（数据帧/远程帧）、数据长度（DLC）和数据内容。
发送请求：置位CAN_TIxR.TXRQ位，邮箱状态变为"挂号"，等待仲裁。
仲裁与发送：仲裁成功后进入"发送中"状态，发送完成后CAN_TSR.TXOK位置1，邮箱重置为空闲。

发送优先级规则

标识符优先：CAN_MCR.TXFP=0时，标识符数值小的报文优先发送；标识符相同时，邮箱号小的优先。
FIFO优先：CAN_MCR.TXFP=1时，按发送请求的先后顺序排队，适用于分段发送场景。

接收管理与FIFO机制

接收处理通过2个3级深度FIFO实现，完全由硬件管理：

有效报文判定：正确接收（无CRC错误、格式错误等）且通过过滤器检查的报文为有效报文。
FIFO存储：有效报文按接收顺序存入FIFO，FIFO0和FIFO1各自独立，可通过过滤器配置关联到不同FIFO。
状态标识：CAN_RF0R/FIFO1R中的FMP[1:0]位指示FIFO中的报文数量（0~3），满时FULL位被置1。
溢出处理：可配置FIFO锁定模式（CAN_MCR.RFLM=1），此时新报文会被丢弃；否则最新报文覆盖旧报文。

时间戳与过滤器匹配序号

时间戳：每个接收报文记录帧起始时刻的16位定时器值，存入CAN_RDTxR.TIME[15:0]，用于分析报文延迟。
过滤器匹配序号（FMI）：记录匹配的过滤器组编号，存入CAN_RDTxR.FMI[7:0]，软件可据此快速区分报文类型。

标识符过滤系统解析

过滤机制的核心价值

CAN网络中，节点通常只关注部分报文，过滤器的作用是硬件层面筛选有效报文，减轻CPU负荷。bxCAN的过滤系统具有以下特点：

14个过滤器组：每个组可独立配置，支持标准帧和扩展帧过滤。
可变位宽：每个组可设置为32位单过滤器或2个16位过滤器。
双模式配置：屏蔽位模式或标识符列表模式，灵活适应不同场景。

屏蔽位模式与列表模式

屏蔽位模式

工作原理：每个过滤器组包含1个标识符寄存器和1个屏蔽寄存器，屏蔽位为1的位置需严格匹配，为0的位置"不关心"。
典型应用：过滤一组相关报文，如标识符0x100~0x1FF的标准帧，可设置标识符为0x100，屏蔽码为0x0FF。

标识符列表模式

工作原理：两个寄存器均作为标识符寄存器，报文必须与其中一个完全匹配才会通过过滤。
典型应用：精确过滤特定报文，如只接收标识符为0x200的扩展帧，可设置两个寄存器均为0x200的扩展帧格式。

过滤器优先级规则

当报文匹配多个过滤器时，优先级由以下规则决定：

位宽优先：32位过滤器优先级高于16位过滤器。
模式优先：列表模式优先级高于屏蔽位模式。
编号优先：过滤器组编号小的优先级高（0-13）。

例如，32位列表模式的过滤器组0优先级高于16位屏蔽位模式的过滤器组1，确保关键报文优先处理。

错误管理与总线健康监测

错误检测与计数器机制

bxCAN通过发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC）实现故障界定：

错误类型：支持位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误等，错误码存入CAN_ESR.LEC[2:0]。
计数器更新：
- 发送错误时TEC加1，接收错误时REC加1。
- 成功发送/接收时，TEC和REC减1（超过127时减至120）。
状态转换：
- TEC或REC > 127时进入错误被动状态，此时发送错误帧为隐性位。
- TEC > 255时进入离线状态，无法收发报文，需通过自动恢复或软件干预重新上线。

离线恢复机制

离线状态的恢复方式由CAN_MCR.ABOM位决定：

自动恢复（ABOM=1）：检测到128次11个连续隐性位后自动恢复为错误主动状态。
手动恢复（ABOM=0）：软件需先请求进入初始化模式，再退出，等待总线同步后恢复。

错误中断与状态监控

通过CAN_IER寄存器可配置多种错误中断：

错误警告中断（EWGIE=1）：TEC或REC ≥ 96时触发，提示总线可能出现异常。
错误被动中断（EPVIE=1）：进入错误被动状态时触发，需关注总线稳定性。
离线中断（BOFIE=1）：进入离线状态时触发，需启动恢复流程。
上次错误码中断（LECIE=1）：每次错误时更新错误码并触发中断，便于快速定位问题。

应用场景

工业自动化网络

多设备协同控制：如PLC与传感器、执行器间的实时数据交互，通过CANopen协议实现设备联网。
抗干扰设计：采用隔离收发器（如CTM1051）和屏蔽双绞线，总线两端接120Ω终端电阻，降低电磁干扰影响。

汽车电子系统

车载网络：连接发动机控制单元（ECU）、ABS、仪表盘等，遵循J1939或CANopen协议。
低功耗需求：利用睡眠模式和唤醒功能，减少待机功耗，满足汽车电源管理要求。

注意事项

硬件连接与终端配置

总线两端必须接入120Ω终端电阻，中间节点无需额外电阻，避免阻抗不匹配导致信号反射。
工业场景建议使用隔离收发器（如CTM1051）和屏蔽双绞线，屏蔽层单点接地以降低电磁干扰。

波特率一致性配置

所有节点的波特率参数（CAN_BRP、BS1、BS2、SJW）必须完全一致，建议通过寄存器硬编码避免计算误差。
长距离通信（>100m）需降低波特率至50kbps以下，并将采样点后移至80%位时间处（增大BS1参数）。

过滤器与FIFO管理

未使用的过滤器组需设置为非激活状态（CAN_FA1R对应位清0），避免无效报文占用资源。
接收FIFO需定期查询或启用中断（如FMPIE），防止因软件处理延迟导致报文溢出。

错误处理与恢复机制

监控发送/接收错误计数器（TEC/REC），超过96时触发预警，超过127时切换至降级模式。
离线恢复时，若使用手动模式（ABOM=0），需确保退出初始化模式后等待总线同步完成（CAN_MSR.INAK=0）。

低功耗模式操作规范

进入睡眠模式前需确认所有发送邮箱为空（CAN_TSR.TME=1），唤醒时优先使用硬件总线活动检测（AWUM=1）以降低功耗。

程序设计

CAN_LoopBack例程

CAN_LoopBack例程实现了CAN总线回环测试程序，通过串口接收指令控制CAN数据发送，并自动接收回环数据进行打印输出，用于验证CAN控制器功能。以下是实现过程和结果验证。

CAN初始化

CAN_Mode_Init()函数是W55MH32的CAN总线初始化函数，内容如下：

 
  uint8_t CAN_Mode_Init(uint8_t tsjw, uint8_t tbs2, uint8_t tbs1, uint16_t brp, uint8_t mode)
  {
      GPIO_InitTypeDef      GPIO_InitStructure;
      CAN_InitTypeDef       CAN_InitStructure;
      CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
  #if CAN_RX0_INT_ENABLE
      NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  #endif

      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
      RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);

      GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap1_CAN1, ENABLE);

      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP; //reuse push pull
      GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);           //initialize io

      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_8;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //pull up input
      GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);        //initialize io

      //CAN unit settings
      CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE; //non time triggered communication mode
      CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE; //software automatic offline management
      CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE; //Sleep mode Wake up via software (clear the SLEEP bit of CAN- > MCR)
      CAN_InitStructure.CAN_NART = ENABLE;  //prohibit automatic transmission of messages
      CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE; //message not locked new overwrite old
      CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE; //priority is determined by the message identifier
      CAN_InitStructure.CAN_Mode = mode;    //Mode settings: mode: 0, normal mode; 1, loop mode;
      //set baud rate
      CAN_InitStructure.CAN_SJW       = tsjw;                                   //Resynchronize jump width (Tsjw) to tsjw + 1 time unit  	 CAN_SJW_2tq CAN_SJW_3tq CAN_SJW_4tq
      CAN_InitStructure.CAN_BS1       = tbs1;                                   //Tbs1=tbs1+1 unit of timeCAN_BS1_1tq ~CAN_BS1_
      CAN_InitStructure.CAN_BS2       = tbs2;                                   //Tbs2=tbs2+1 unit of timeCAN_BS2_1tq ~	CAN_
      CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = brp;                                    //The frequency division factor (Fdiv) is brp + 1
      CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);                                       //Initialize CAN1

      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber         = 0;                     //filter0
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode           = CAN_FilterMode_IdMask; //shielding mode
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale          = CAN_FilterScale_32bit; //32 bit width
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh         = 0x0000;                //32 bit id
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow          = 0x0000;
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh     = 0x0000;                //32 bit mask
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow      = 0x0000;
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;      //filter 0 is associated with fifo0
      CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation     = ENABLE;                //activate filter 0

      CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);                                 //filter initialization

  #if CAN_RX0_INT_ENABLE
      CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP0, ENABLE); //FIFO0 message registration interruption allowed.

      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel                   = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn;
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // the primary priority is 1
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 0; // the secondary priority is 0
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
      NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  #endif
      return 0;
  }

该函数通过配置GPIOB引脚（PB8接收上拉、PB9发送复用）和CAN1控制器，设置工作模式（含回环测试）、位时序参数（同步段、位段1/2、分频系数）以确定波特率，使用32位ID屏蔽过滤器接收所有消息，并可选择性开启FIFO0中断（需定义CAN_RX0_INT_ENABLE），最终完成CAN总线的初始化配置，为通信做准备。

CAN数据发送

Can_Send_Msg()为CAN总线数据发送函数：

 
    uint8_t Can_Send_Msg(uint8_t *msg, uint8_t len)
  {
      uint8_t  mbox;
      uint16_t i = 0;
      CanTxMsg TxMessage;
      TxMessage.StdId = 0x12;            // standard identifier
      TxMessage.ExtId = 0x12;            // set extension identifier
      TxMessage.IDE   = CAN_Id_Standard; // standard frame
      TxMessage.RTR   = CAN_RTR_Data;    // data frame
      TxMessage.DLC   = len;             // the length of the data to be sent
      for (i = 0; i < len; i++)
          TxMessage.Data[i] = msg[i];
      mbox = CAN_Transmit(CAN1, &TxMessage);
      i    = 0;
      while ((CAN_TransmitStatus(CAN1, mbox) == CAN_TxStatus_Failed) && (i < 0XFFF)) i++; //waiting for the end of sending
      if (i >= 0XFFF) return 1;
      return 0;
  }

此程序首先配置CAN帧参数（标准ID为0x12、标准数据帧、数据长度由参数指定），将待发送数据填充至发送缓冲区，然后调用发送函数并通过邮箱状态轮询机制（最多等待0XFFF次）确认发送结果，最终返回成功（0）或失败（1）。

CAN数据接收

Can_Receive_Msg()为CAN总线数据接收函数：

 
  uint8_t Can_Receive_Msg(u8 *buf)
  {
      uint32_t i;
      CanRxMsg RxMessage;
      if (CAN_MessagePending(CAN1, CAN_FIFO0) == 0) return 0; //no data received exit directly
      CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage);               //read data
      for (i = 0; i < 8; i++)
          buf[i] = RxMessage.Data[i];
      return RxMessage.DLC;
  }

通过检查CAN1的FIFO0接收缓冲区状态，若有数据则读取CAN帧信息（含ID、数据等），将有效数据（最多8字节）复制到用户缓冲区，并返回实际数据长度（DLC），若无数据则直接返回0，实现了简洁的非阻塞式CAN数据接收功能。

串口接收

GetCmd()为USART1串口单字符接收函数：

 
  uint8_t GetCmd(void)
  {
      uint8_t tmp = 0;

      if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE))
      {
          tmp = USART_ReceiveData(USART1);
      }
      return tmp;
  }

通过检查接收缓冲区非空标志位（RXNE）判断是否有数据可读，若有则读取并返回接收到的字符（8位），若无则返回0。

主程序

main()函数为CAN总线回环测试主程序：

 
  int main(void)
  {
      uint8_t           res, i, key;
      uint8_t           canbuf[8];
      RCC_ClocksTypeDef clocks;

      delay_init();
      UART_Configuration(115200);
      RCC_GetClocksFreq(&clocks);

      printf("\n");
      printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhz\n",
            (float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
            (float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);

      printf("CAN LoopBack Test.\n");

      CAN_Mode_Init(CAN_SJW_1tq, CAN_BS2_8tq, CAN_BS1_9tq, 4, CAN_Mode_LoopBack); //CAN initialize loopback mode,baud rate 500Kbps

      while (1)
      {
          if (GetCmd() == 's')
          {
              for (i = 0; i < DATA_LEN; i++)
              {
                  canbuf[i] = 0x5A + i;
              }
              res = Can_Send_Msg(canbuf, 8); //send 8 bytes
              if (res == 0)
                  printf("Can Loop Back Send Data Success\n");
              else
                  printf("Can Loop Back Send Data Fail\n");
          }

          key = Can_Receive_Msg(canbuf);
          if (key)
          {
              printf("Can Loop Back Recv Data Success\n");
              for (i = 0; i < key; i++)
              {
                  printf("canbuf[%d] = 0x%x\n", i, canbuf[i]);
              }
          }
      }
  }

通过初始化系统时钟、UART1和CAN控制器（配置为回环模式，波特率500Kbps），在主循环中监听串口输入，当接收到“s”字符时发送8字节测试数据（0x5A~0x61），并持续检查CAN接收缓冲区，若收到数据则打印内容，实现自收自发的通信验证。

下载验证

程序下载运行后，首先打印了系统各时钟的频率和示例名称，我们手动通过串口发送“s”之后，W55MH32便会通过CAN接口发送数据并接收来实现回环测试。发送和接收成功后都会打印出对应的提示信息，接收成功后同时也会将接收缓冲区的内容打印出来：

CAN_Normal例程

CAN_Normal是CAN总线正常模式通信测试程序，与回环测试不同，它需通过物理总线与外部CAN节点通信。该例程除了CAN初始化的CAN模式参数变成的CAN_Mode_Normal之外， CAN初始化函数内容、发送、接收函数、主程序等与CAN_LoopBack例程保持一致。改动如下：

 
  CAN_Mode_Init(CAN_SJW_1tq, CAN_BS2_8tq, CAN_BS1_9tq, 4, CAN_Mode_Normal); //baud rate 500Kbps

下载验证

程序下载运行后，首先打印了系统各时钟的频率和示例名称。通过串口发送“s”后，W55MH32便会通过CAN接口发送数据，发送成功后，串口打印“Can Normal Send Data Success”的信息。

总结

本文聚焦W55MH32的bxCAN模块，详解CAN通信核心内容。先介绍CAN协议特性与帧结构，再解析bxCAN的发送邮箱、接收FIFO及工作模式，接着阐述收发机制、过滤规则、错误管理和波特率配置，最后从硬件连接、参数匹配、过滤配置等方面给出示例程序以及讲解，帮助大家理解CAN的使用。

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Get started

开发环境: Keil MDK5 配套开发板

Andy

W5500 技术支持专家