1.CAN 通讯介绍
CAN（Controller Area Network控制器局域网，简称CAN或CAN bus）是一种丰富的车用总线标准。
设计用于不需要主机的情况下，允许网络上的单片机和仪器相互通信。
它基于消息传递协议，设计之初在车辆上复用通用线缆，以降低铜线使用量，后来也被其他行业所使用。
CAN拥有良好的弹性调整能力，可以在现有网络中增加节点而不用在软硬件中做出调整。
2.物理层
2.1.CAN网络节点
一个CAN控制器
核心功能：它负责 CAN 报文的发送与接收控制，完成总线显性 / 隐性电平解析、帧结构处理、数据校验、位时序控制及总线仲裁等功能，并通过 CAN_Tx/CAN_Rx 引脚与外部收发器交互，将逻辑电平信号转换为总线差分信号。
隐性电平：总线无驱动，差分电压接近 0，对应逻辑 1
显性电平：总线被主动驱动，存在明显差分电压，对应逻辑 0
位置：通常集成在 MCU 内部，是 CAN 通信的协议处理核心。
一个CAN收发器
核心功能：实现逻辑电平 ↔ 总线差分电平转换，将 CAN 控制器的 TTL 逻辑信号转为 CAN_H/CAN_L 差分信号，同时提供总线驱动、抗干扰与隔离保护。
位置：位于控制器与物理总线之间，属于外部接口芯片。我开发用的是PD1050收发器芯片。
STM32 特性：片内集成 CAN 控制器，无需外接协议芯片，仅需外接 CAN 收发器。
CAN控制器和CAN收发器之间通过CAN_Tx和CAN_Rx信号线相连接。
CAN收发器和CAN总线之间使用CAN_High、CAN_Low信号线相连
2.2.CAN网络节点发数据流程
MCU 内部的 CAN 控制器准备好二进制数据。
控制器通过 CAN_Tx 线，把逻辑电平信号发给收发器。
收发器将逻辑电平转换为差分电平：
逻辑 0 → 显性电平（CAN_H 拉高、CAN_L 拉低，差分电压大）
逻辑 1 → 隐性电平（CAN_H 和 CAN_L 电压接近，差分电压≈0）
差分信号通过 CAN_H/CAN_L 输出到 CAN 总线上，被其他节点接收。
2.3.CAN网络节点接收数据流程
通过收发器接收总线上的数据到控制器上时，则是与发送数据流程相反。
收发器把总线上收到的CAN_High和CAN_Low信号转换成普通的逻辑电平信号。
通过CAN_RX输出到控制器中。
2.4.CAN总线网络
2.4.1.CAN总线网络介绍
当CAN线上接入多个设备时，就构成了CAN总线网络。
根据接法不同，总线网络分闭环总线网络、开环总线网络 2种。
2.4.2.闭环总线网络
闭环总线网络: CAN总线上CAN_High和CAN_Low两端通过120欧电阻连接形成闭合回路，这样的CAN总线网络就称闭环总线网络。
协议标准：遵循 ISO11898 高速 CAN 标准，最高通信速率 1 Mbps，对应最大传输距离约 40 m。
不同CAN协议标准对比如下表。
闭环总线网络连接如下图所示。
扩展：
CAN FD（ISO 11898-1 扩展)：CAN FD 协议在数据段可支持 5 Mbps 高速率（最高甚至 10 Mbps），适合短距离板间或设备间通信，传输距离随速率提升而显著缩短（5 Mbps 时通常仅数米）。
CAN XL：CAN FD 协议在数据段可支持 20Mbps 高速率（最高甚至 50 Mbps）
2.4.3.开环总线网络
开环总线网络： CAN总线上CAN_High和CAN_Low左端分别串联一个2.2K欧的电阻，两根总线独立不形成闭环，这样的CAN总线网络就称开环总线网络。
协议标准：遵循 ISO11519-2 标准低速，远距离的“开环网络”。最大传输距离1Km，通信速率最高125Kbps。
2.5.差分信号
2.5.1.差分信号介绍
CAN_High和CAN_Low走一对差分信号。
传统的单端信号传输：一根信号线一根地线。
差分传输是一种信号传输技术，差分传输在这两个根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。
信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。
在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近，且在同一层面的两根线。
2.5.2.差分信号优缺点
优点
抗干扰能力强：干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上。而其差值为0，即噪声对信号的逻辑意义不产生影响。
能有效抑制电磁干扰（EMI）：由于两根信号线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁将相互抵消。因此对外界和受外界的电磁干扰也小。
缺点
差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近，且在同一层面的线。对电路板比较小、走线比较紧张的情况下，给布线带来挑战。
串口 通信协议的演进，也体现出差分传输的优势：
RS232（非差分，两根线）→ RS485（半双工差分，两根线分时收发）→ RS422（全双工差分，收发各一组差分线，共四根）。
差分信号线具有这些优点，在USB协议、485协议、以太网协议及CAN 协议的物理层中，都使用了差分信号传输。
2.5.3.差分信号原理
以 ISO 11898-2 高速 CAN 为例，CAN 总线通过 CAN_High 与 CAN_Low 的电压差值 来传输逻辑 0/1：
逻辑1（隐性电平）：
电平状态：CAN_High = CAN_Low=2.5V
电压差：VH-VL=0V
物理表现：总线无主动驱动，两根线电压相等，差分电压接近 0。
逻辑0（显性电平）：
电平状态：CAN_High = 3.5V，CAN_Low=1.5V
电压差：VH-VL=2V
物理表现：总线被主动驱动，CAN_High 拉高、CAN_Low 拉低，形成明显电压差。
CAN 总线之所以是「线与」逻辑，是因为它的电平由所有节点共同决定：只要有一个节点发送显性电平（逻辑 0），总线就表现为显性，等价于所有节点输出做逻辑与运算。这种机制是 CAN 总线实现高效、可靠仲裁的基础。
CAN 线与逻辑的物理本质：显性电平为主动驱动，隐性电平为被动悬浮。
发送逻辑 0 时，节点会通过电流主动将 CAN_H 拉高、CAN_L 拉低，其驱动力远大于被动悬浮状态，因此只要有一个节点输出显性电平，总线就会被强制拉为显性。
3. 协议层
3.1.CAN 总线的广播通信机制
CAN总线是广播类型的总线。
这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文，无法将报文单独发送给指定节点。
但是CAN硬件能够本地过滤功能，让每个节点对报文选择性地做出响应。每个节点可以通过设置验收滤波器，只对符合 ID 规则的报文进行接收和处理，对无关报文直接忽略。这种 “全网广播 + 本地过滤” 的模式，既保证了数据的共享性，又避免了节点 CPU 资源的浪费。.
3.2.CAN 报文的内容寻址与短帧特性
内容寻址而非地址寻址
传统串口、以太网等通信方式，通常在报文中携带明确的目标地址 / 源地址，用于指定收发双方。
而 CAN 报文中不包含任何节点地址，采用内容寻址方式：
短报文设计
CAN 总线采用短帧结构传输，报文长度有限，最大实用数据负载为 94 位。
短帧带来的优势非常明显：
3.3.CAN的帧(报文)种类
CAN总线上传输的报文有5种类型（或帧）：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。
数据帧
数据帧是最常用的报文类型，用于发送单元向接收单元发送数据。
携带报文 ID 与 0~8 字节数据；
分为标准数据帧（11 位 ID）和扩展数据帧（29 位 ID）；
所有正常的业务通信都依靠数据帧完成。
远程帧
远程帧用于接收单元向具有同样id的发送单元请求发送数据，自身不携带数据段。
格式与数据帧类似，但无数据域；
某节点发送对应 ID 的远程帧，拥有该 ID 数据的节点会自动回复数据帧；
实现 “按需请求数据” 的通信方式。
错误帧
错误帧当检测出错误时，向其他单元通知错误的帧。
用于通知全网当前总线出现异常；
触发错误处理机制，如报文重发、节点错误计数累加；
是 CAN 高可靠性的重要保障机制。
过载帧
过载帧用于节点向总线申请延迟，告知其他节点自身暂时无法接收新报文。
常见于节点处理速度不足、接收缓冲区满等场景；
强制总线空闲一段时间，避免数据丢失；
过载帧并不常用，因为当今的CAN控制器会非常智能化地避免使用过载帧。
帧间隔
用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。
其中，错误帧、过载帧、帧间隔都是由硬件自动完成，没有办法用软件来控制。对于一般使用者来说，只需要掌握数据帧和遥控帧。
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式，标准格式有11位标识符，扩展格式有29位标识符。
3.4.数据帧（Data Frame）
数据帧是CAN总线中最核心的报文类型，用于实现总线上各节点间的数据传输，其结构具有固定规范，可分为标准帧和扩展帧两类。其中标准帧是最常用的类型，以下重点介绍其具体结构：
3.4.1.标准帧结构
标准帧结构由帧起始SOF、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束EOF 七个大部分组成，如下图所示即为标准帧结构。
针对上图标准帧结构的各段进行解释说明：
帧起始：Start Of Frame-SOF
位长：1bit，固定为显性信号（逻辑0）。
作用：明确表示数据帧（或远程帧）的传输开始。
发送规则：仅能在总线处于空闲状态时，发送帧起始信号。
仲裁段
仲裁段（Arbitration Field）主要用于总线仲裁，包含两个核心部分：标识符位（Identifier field-ID）和远程发送请求位（Remote Transfer Request-RTR）。
标识符位：
长度：11位（11bit），范围为ID10 ~ ID0，传输时按照ID10至ID0的顺序进行。
作用：它属于功能性地址，CAN总线的接收节点会通过该标识符，对数据帧进行过滤筛选，判断是否接收该报文。
远程发送请求位RTR：
长度：1位（1 bit）
作用：是区分当前帧的类型。其中显性信号（逻辑0）代表数据帧（Data Frame），隐性信号（逻辑1）代表远程帧（Remote Frame）。
控制段
控制段（Control Field）一共6位，包括IDE位（Identifier Extension）、R0位 、DLC段（Data Length Code）。
IDE位（ID扩展位）：
位长：1位
作用：用于区分标准格式与扩展格式。显性电平（逻辑0）代表标准格式，隐性电平（逻辑1）代表扩展格式。
R0位
位长：1位。
作用：保留位，方便以后扩展使用。
DLC段
位长：4位（对应 DLC3、DLC2、DLC1、DLC0 四个独立位）。
作用：用于表示数据段包含的字节数，有效值范围为0～8，是接收方解析数据长度的唯一依据。
编码规则：4 位 DLC 通过不同的显性 / 隐性信号组合，与 0~8 字节数据一一对应，具体编码逻辑如下表所示：
数据段
数据段（Data Field）是数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息。
长度范围：由 DLC 段决定，包含0 ~ 8 个字节（即 0~64 位），是 CAN 协议中数据承载的唯一区域。
传输顺序：严格遵循 ** 高位先行（MSB first）** 规则，即每个字节的最高位（Bit7）优先发送，最低位（Bit0）最后发送。
边界约束：数据段实际发送的字节数，必须与 DLC 声明的长度一致。
若有效数据不足 DLC 规定长度，剩余字节 / 位需用 隐性电平（逻辑 1） 填充，保证帧结构完整连续。
示例说明
假设 DLC = 2，表示本次数据段长度固定为 2 字节（16 位）。
而当前有效业务数据只有 1 字节 0x12，不足 2 字节。
发送时处理方式：
先发送有效数据：0x12
剩余 1 字节用隐性电平填充，即 0xFF
最终数据段为完整 2 字节：0x12 0xFF
对 CAN 控制器而言，这就是合法的 2 字节数据段；
接收方收到后，由上层应用协议决定是使用全部 2 字节，还是只取前 1 字节为有效数据。
CRC段
CRC段（CRC Field）包含CRC校验码和界定符2个部分。
CRC校验码
长度：CRC校验码长度为15bits。
作用：用于校验传输是否正确。对帧起始、仲裁段、控制段、数据段的所有数据进行循环冗余校验，接收方通过校验结果判断传输过程是否出现位错误。
界定符
长度：1bit。
电平：固定为 隐性电平（逻辑 1）
作用：作为分隔标志，表示CRC校验码区域结束（固定为逻辑1），为后续 ACK 段做准备，保证帧结构边界清晰。
ACK段
ACK段（ACK Field）是应答，包含ACK确认位和界定符。
ACK确认位
长度：1bit隐性位（逻辑 1）。
作用：发送端的ACK确认位默认为隐性位，接收端接收到正确的CRC校验位后，把这ACK确认位的值置为显性位，说明接收端接收到了数据。
界定符
长度：1bit。
电平：固定为 隐性电平（逻辑 1）。
作用：作为分隔标志，与后面的帧结束隔开。
帧结束
帧结束段 EOF(End Of Frame)由发送节点发送的7个隐性位表示结束。
3.4.2.扩展帧结构
扩展帧（Extended Frame）在标准帧基础上同时修改了仲裁段与控制段，其余段结构与标准帧完全一致。
核心差异1：仲裁段
结构：11 位基本 ID + SRR + IDE + 18 位扩展 ID + RTR（共 32 位）
SRR 位：固定为隐性电平（1），仅为占位位，用来替代标准帧中 RTR 所在位置，仅用于总线兼容与仲裁，不参与帧类型判断。
SRR 设为隐性 1，目的是让标准帧在总线竞争时优先级更高，保证向下兼容。
IDE 位：固定为隐性电平（1），标识当前为扩展帧。
18 位扩展 ID：在 11 位基本 ID 后追加，使总 ID 长度达到 29 位，极大扩展了 CAN 总线的寻址空间。
RTR位：唯一用于区分数据帧与远程帧的标志位，与标准帧定义完全一致，不受 SRR 位影响。
核心差异2：控制段
结构：R1 + R0 + DLC
R1：扩展帧新增的保留位，固定为显性电平（0），为协议扩展预留。
R0：保留位，固定为显性电平（0）。
R0、R1 设为显性 0，只是普通保留位，遵循协议默认填充规则，无仲裁竞争目的。
DLC：4 位数据长度码，用于表示数据段字节数，范围 0~8，功能与标准帧一致。
其余段结构
控制段、数据段、CRC 段、ACK 段、帧结束，与标准帧完全相同，保证协议兼容性与可移植性。
3.5.远程帧（Remote Frame）
远程帧相比数据帧没有数据段，其他段一样。
3.6.CAN总线仲裁机制
CAN 总线采用非破坏性位仲裁机制，CAN总线处于空闲状态的时候，最先发送消息的单元（节点）获得发送权。
报文 ID 数值越小，优先级越高。当多个节点同时开始发送报文时，从仲裁段（报文 ID）的第一位起逐位进行仲裁，连续输出显性电平越多的节点越能继续发送；一旦某个节点发送隐性电平而总线上出现显性电平（CAN 总线为线与逻辑，显性电平对应逻辑 0，节点主动驱动总线产生差分电压；隐性电平对应逻辑 1，总线仅为高阻悬浮无差分电压，因此显性电平会覆盖隐性电平），则该节点竞争失败，失去总线占有权并转为接收模式。竞争失败的节点会自动监测总线状态，待总线再次空闲时立即重新尝试发送。
当某个节点发送数据帧的同时，另一节点以远程帧请求数据时，数据帧优先级高于远程帧。
由此可见，报文 ID 与 RTR 位共同参与 CAN 总线仲裁，这也是 RTR 位（用于区分数据帧与远程帧）被设计在仲裁段中的原因。
3.7.CAN的位时序
3.7.1 位时序的定义
CAN 总线的位时序，是对每一位数据的时间长度进行划分和定义的规则，核心是明确位周期、时间分段及采样点位置，为数据可靠采样提供基础。
3.7.2 位时序的核心作用
规定总线上传输的每一位的时间框架（位周期），明确采样点的标准位置，确保收发双方对“何时读取数据”形成共识，是 CAN 总线可靠通信的前提。
3.7.3 位时序的核心构成
CAN 总线的每一个位周期（即单个比特的时间长度），通常分为4个核心时间分段，各分段协同作用，确保采样准确，具体细节如下：
3.7.3.1 基础概念
时间量子（TQ）：是 CAN 位时序的最小时间单位，由节点内部时钟分频得到，位周期的总时长 = 各分段时长之和（通常为8~25个 TQ）。
位时间（Bit Time）：4个时间分段的总时间，即传输一位数据所需的总时间。
时间量化器：将位时间分为若干等长的时间单元（即 TQ），Sync、Pro-seg、Phase 1、Phase 2 四个分段的时间均为 TQ 的整数倍。
TQ 长度设置：可根据传输速率需求调整，在 STM32 的 CAN 外设中，通过设置波特率分频器的值来确定 TQ 的大小。
每一位周期的时间分段示意图如下：
3.7.3.2 四个核心时间分段详解（结合位同步机制）
四个时间分段并非独立存在，而是与位同步（硬同步、重同步）深度绑定，每一段的设计都直接服务于时钟偏差补偿和采样准确性。
核心逻辑：
通过分段协同，配合硬同步、重同步机制，抵消时钟偏差累积，确保采样点始终稳定在位周期中心区域。
同步段为硬同步提供触发与对齐基础；
相位缓冲段 1/2 为重同步提供动态调整空间；
传播段为两种同步机制扫清延迟干扰。
参考结构图，具体解析如下：
同步段（Sync Segment）
核心作用：检测总线帧SOF位（或数据段）电平跳变，为硬同步（或重同步）提供触发条件，是整个位同步机制的基础，确保节点与总线时序快速对齐。
时间长度：长度固定为1个时间量子（TQ），不可动态调整，是整个位周期中唯一长度固定的分段。
同步检测与触发机制：
跳变沿来源判断：
若跳变沿来自 SOF（帧起始）位：触发硬同步，强制将节点时序重置到同步段起点，完成全局时序对齐，不进入 “失步判定” 流程。
若跳变沿来自 数据段 / 仲裁段等非 SOF 位：进入重同步检测流程。
重同步检测流程：
若跳变沿被包含在同步段范围内：判定节点与总线时序同步，无需调整，维持当前位时序。
若跳变沿落在传播段或相位缓冲段 1 内：判定为时序失步，触发重同步机制，通过调整相位缓冲段 1/2 的长度，将采样点拉回位周期中心。
若跳变沿落在相位缓冲段 2 内：属于异常时序偏差，通常被判定为总线错误，触发相应的错误处理。
传播段（Propagation Segment）
核心作用：补偿总线传输延迟与节点内部电路延迟，为硬同步、重同步提供准确、无延迟的电平信号，避免延迟干扰同步判断。
总线传输延迟：信号在CAN总线上传输过程中产生的时间延迟；
节点内部电路物理延迟：包括发送单元的发送延迟和接收单元的接收延迟。
时间长度：长度至少为1个时间量子（TQ），实际应用中通常配置为1~8个TQ，可根据总线长度、节点数量灵活调整。
相位缓冲段1（Phase Buffer Segment 1）
核心作用：专为重同步设计，可动态调整长度，初步补偿收发端的时钟偏差；当同步段检测到时序失步时，通过调整自身长度实现同步校准。
调整规则：在重新同步阶段，若检测到时序失步，其时间长度可自动加长，带动同步段后移，从而将采样点向位周期中心调整。
时间长度：初始大小可配置为1~8个TQ；重同步时（进入重新同步阶段后），可根据失步程度自动加长（根据失步方向调整），灵活补偿时钟偏差。
相位缓冲段2（Phase Buffer Segment 2）
核心作用：与相位缓冲段 1 配合，共同服务于重同步，进一步精细调整采样点位置，确保采样点始终处于位周期的中心区域——该区域电平最稳定，可最大程度避免采样错误。
调整规则：在重新同步阶段，可根据时序失步（不同步）情况自动缩短自身长度，带动同步段前移，与相位缓冲段1的“加长”调整形成配合，精准校准采样点。
时间长度：初始大小可配置为2~8个TQ；进入重新同步阶段后，可自动缩短（根据失步方向调整），实现采样点的精准校准。
3.7.4.位时序面临的核心问题——时钟偏差
3.7.4.1 时钟偏差的产生原因
CAN 总线无统一时钟线，各节点使用独立内部时钟，收发双方时钟频率天生存在微小差异（即时钟偏差）。
3.7.4.2 时钟偏差的累积效应（对比UART）
UART 场景：帧长仅10位左右，微小时钟偏差来不及累积，采样点仍在有效位范围内，通信可靠。
CAN 场景：一帧数据位数远超10位，偏差持续累积，导致采样点偏离位中心，最终引发采样错误。
3.7.4.3 采样错误的直观体现（附示意图）
如下图所示，是仅靠固定波特率计时、不进行同步调整时，CAN 长帧的采样情况：
图中核心细节：接收端时钟偏快（位宽更短），采样点从第1位开始漂移，前10位（UART帧长）采样正常，第14位时采样点超出位范围，引发采样错误。
3.7.5 位同步（解决时钟偏差）
3.7.5.1 核心目的
动态调整采样时刻，抵消时钟偏差累积带来的采样偏移，确保采样点始终对准位周期中心，保障 CAN 长帧通信可靠，避免因时序偏差导致的采样错误。
3.7.5.2 两种同步方式
CAN 总线通过两种同步方式，结合位时序的分段设计（同步段、相位缓冲段），实现时钟偏差的补偿，具体如下：
硬同步
触发条件：当一个节点检测到数据帧的 SOF 起始位时，触发硬同步操作。
核心作用：快速校准时序基准，将采样点对准电平跳变沿，解决突发的时序偏差，对应同步段的跳变检测功能。
操作过程：执行硬同步时，控制器的时间基准会立即调整，与检测到的电平跳变沿对齐，确保节点内部时间基准与数据帧时间基准一致。
重同步：在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时（即总线上的非 SOF 位跳变沿不在节点时序的同步段SS范围内），通过**延长相位缓冲段1（PBS1段）或缩短相位缓冲段2（PBS2段）**来获得同步（即让总线上的非 SOF 位跳变沿重新回到节点时序的同步段SS范围内）。
所有同步机制都是由CAN控制器硬件自动完成。而开发者只需要设置TQ 时间长度和位时序分段TQ数量，就可以确定CAN通讯的波特率。
3.7.6 设置CAN波特率
CAN 波特率
CAN 波特率由通讯节点共同约定：
单个时间量子 TQ 的时间长度
每一位数据包含多少个 TQ
满足以上两点，即可唯一确定 CAN 波特率。
设置方法
TQ 时间长度：根据目标波特率调整时钟分频，在 STM32 CAN 外设中，通过配置 BRR（波特率预分频器）寄存器确定单个时间量子（Time Quantum, TQ）的时长。
位时序分段TQ数量：手动为传播段、相位缓冲段 1、相位缓冲段 2分别分配对应的 TQ 数量（各分段 TQ 数量范围参考 3.7.3.2算），同步段固定是 1 TQ，不需要配置，硬件自动计算。
四个分段的 TQ 数量之和，构成一个完整位周期的总 TQ 数。
计算CAN波特率
假设右图中的1Tq=1us，而每个数据位由20个Tq组成，则传输一位数据需要时间为20us，> 从而每秒可以传输的数据位个数为: 1 *1000000/20= 50000
这个每秒可以传输的数据位的个数就是CAN通讯的波特率，比如上面的波特率就是50kbps。
3.6.CAN的位填充
3.6.1 位填充的核心作用
CAN 总线使用NRZ 非归零编码，如果总线长时间保持同一电平（连续很多个 1 或 0），没有电平跳变沿，接收端就无法触发重同步，收发时钟偏差会持续累积，最终导致采样错误。
位填充与位同步配合，共同保证总线传输时序的正确性：
位同步：利用跳变沿校准位时序，把采样点拉回稳定位置
位填充：主动制造跳变沿，保证重同步能一直有触发条件
3.6.2 发送端填充规则
发送端在发送帧起始到 CRC 序列这段数据时，遵循：
连续出现 5 个相同电平（5 个 1 或 5 个 0），
自动插入 1 个相反电平（5 个 1 后插 0；5 个 0 后插 1）。
插入目的：强制产生跳变沿，让接收端可以触发重同步，避免同步丢失。
3.6.3 接收端对位填充的处理
接收端会完整接收包括填充位在内的所有总线电平，并按以下逻辑处理：
正常采样与同步:
接收端依然按照四个时间分段 + 重同步机制，对每一位进行采样，插入的填充位产生的跳变沿，会正常触发重同步，修正时钟偏移，保证采样点稳定。
检测并删除填充位:
接收端同样统计连续相同电平的位数：
当检测到连续 5 个相同电平 后，紧跟的第 6 位相反电平，识别为位填充位；
接收端自动丢弃该填充位，不将其送入数据缓冲区；
后续位继续按原始数据规则解析。
填充错误检测
若连续 5 个相同电平后，第 6 位仍然相同，判定为位填充错误（Stuff Error）；
CAN 控制器会自动识别该错误并进入相应错误处理流程。
一句话概括：填充位只用于同步，不参与实际数据；接收端采样时用它同步，同步完就扔掉，只还原原始有效数据。
4 STM32的CAN外设
4.1 CAN外设（CAN控制器） 介绍
STM32系列芯片集成的CAN控制器主要分为 bxCAN 和 FDCAN 两大类。其中bxCAN广泛应用于F1、F4、L4等系列，而FDCAN则存在于H7、F7、G4等高性能系列中。
4.2 bxCAN（Basic Extended CAN）
4.2.1 协议标准
STM32 芯片集成 bxCAN（Basic Extended CAN） 控制器，支持 CAN 2.0A 与 CAN 2.0B Active 协议标准。：
4.2.2 基本特性
通信速率：最高支持 1 Mbit/s
自动重发：支持
DMA支持：不支持通过DMA进行数据收发
报文兼容：自动完成CAN报文的发送与接收，兼容标准ID与扩展ID报文
4.2.3 发送邮箱
外设包含 3 个发送邮箱，用于缓存待发送报文，最多可同时缓存 3 条报文，发送顺序由发送调度机制决定，支持软件配置发送优先级，并可记录报文发送时间。
4.2.4 接收端
接收端提供 2 个独立接收 FIFO，每个 FIFO 深度为 3 级；配合硬件过滤器，可灵活筛选指定 ID 的报文，只接收需要的数据，减轻 CPU 负担。
接收滤波器（过滤器）
作用：对接到的报文进行过滤。最后放入FIFO 0或FIFO 1。
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，选择性接收有效报文，减轻系统负担。
有2种过滤模式：
（1）标识符列表模式，它把要接收报文的ID列成一个表，要求报文ID与列表中的某一个标识符完全相同才可以接收，可以理解为白名单管理。
（2）掩码模式（屏蔽位模式），它把可接收报文ID的某几位作为列表，这几位被称为掩码，可以把它理解成关键字搜索，只要掩码（关键字）相同，就符合要求，报文就会被保存到接收FIFO。
如果使能了筛选器，且报文的ID与所有筛选器的配置都不匹配，CAN外设会丢弃该报文，不存入接收FIFO。
每个CAN提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组(13~0)。每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FxR1和 CAN_FxR2组成。
FIFO接收接收流程
接收流程如下图所示：
由上图可知，bxCAN 接收遵循先过滤、后入队、再出队的硬件逻辑，完整流程为：
输入方向：CAN 总线报文 → 硬件过滤器（先过滤）
路由逻辑：过滤器匹配成功后，分支流向 FIFO0 或 FIFO1
入队方向：硬件自动写入 Level 0（队尾，最新报文）
出队方向：CPU 从 Level 2（队头，最早报文）读取，遵循 先进先出 (FIFO)
4.3 CAN控制器的3种工作模式
CAN控制器有三种工作模式：初始化模式、正常模式、睡眠模式，模式通过状态位与切换条件实现状态流转，完整状态机如下图所示：
三种工作模式定义：
睡眠模式
状态标识：SLAK = 1（睡眠确认）、INAK = 0（初始化未激活）
核心特性：上电复位后，CAN 控制器默认进入睡眠模式，核心作用是降低系统功耗。此时控制器不参与总线通信，仅维持最低功耗状态 。
唤醒方式：支持软件主动唤醒 或 总线活动唤醒（检测到总线报文时自动唤醒）
初始化模式（INITIALIZATION）
状态标识：SLAK = 0（非睡眠）、INAK = 1（初始化激活）
核心特性：需配置波特率、过滤器、工作模式等关键寄存器时，必须先进入初始化模式。仅在此模式下可修改核心配置参数，正常模式下无法写入。
使用场景：CAN 控制器初始化配置阶段，配置完成后需退出该模式才能通信。
正常模式（NORMAL）
状态标识：SLAK = 0（非睡眠）、INAK = 0（初始化未激活）
核心特性：控制器的实际通信运行状态，可完整参与 CAN 总线同步、仲裁、应答、报文收发等全部协议流程。
状态标识说明
SLAK：睡眠确认标志，1 = 已进入睡眠，0 = 未睡眠。
INAK：初始化确认标志，1 = 已进入初始化模式，0 = 未初始化。
请求与控制位说明
INRQ（初始化请求位）：置 1 时请求进入初始化模式，清 0 时请求退出
SLEEP（睡眠请求位）：置 1 时请求进入睡眠模式
ACK（确认应答位）：硬件对模式切换请求的确认响应
SYNC（总线同步位）：控制器与总线完成同步的状态标识
上划线（如 INRQ‾\overline{INRQ}
INRQ
）：表示对应位为低电平 / 清 0 状态。
工作流程
上电复位：CAN 控制器默认进入睡眠模式（SLAK=1, INAK=0），处于低功耗待机状态。
切换至初始化模式：软件置 SLEEP=0（清睡眠请求）、INRQ=1（置初始化请求），等待硬件确认位 ACK=1（对应 INAK=1），代表切换成功，进入初始化模式。
寄存器配置：在初始化模式下，完成波特率、过滤器、工作模式等核心参数的配置。
切换至正常模式：配置完成后，软件置 SLEEP=0、INRQ=0，等待总线同步完成（SYNC=1），控制器自动进入正常模式，开始 CAN 总线通信。
4.4 CAN控制器的3种测试模式
CAN控制器有3种测试模式:静默模式、环回模式、环回静默模式。当控制器进入初始化模式的时候才可以配置测试模式。
静默模式可以用于检测总线的数据流量。环回模式可以用于自检（影响总线）。环回静默也是用于自检，不会影响到总线。
5 CAN通讯案例1：环回静默模式测试
5.1 需求描述
使用 环回静默模式（Loopback Silent Mode） 测试 STM32H750 的 FDCAN 能否正常工作。在该模式下：
环回模式：发送的报文不经过外部总线，直接在内部环回至接收端
静默模式：不向外发送显性位（总线上表现为隐性），避免影响外部总线
测试方法：FDCAN 自发送报文，内部环回接收，将接收到的报文数据通过串口打印输出，验证 CAN 通信功能是否正常。
5.2 硬件环境
注意：环回静默模式下，报文不经过外部总线，因此无需外接 CAN 收发器即可进行测试。
5.3 软件设计（基于HAL库）
5.3.1 开发环境
5.3.2 CubeMX 配置步骤
5.3.2.1 时钟配置
系统时钟配置（对应图中标注1）
时钟源选择 PLLCLK，经 D1CPRE Prescaler = /1 分频，配置系统时钟 SYSCLK = 75 MHz，作为CPU主运行时钟。
USART1 时钟配置（对应图中标注2/3）
系统时钟经 D2PPRE2 = /2 分频，得到 PCLK2 = 37.5 MHz（标注2）；
在 USART1,6 Clock Mux 中选择 PCLK2 作为USART1时钟源，最终USART1时钟为 37.5 MHz（标注3）。
FDCAN 时钟配置（对应图中标注4/5）
外部25MHz HSE经PLL1倍频：/2 → ×12 → /3，输出 PLL1P = 50 MHz（标注4）；
在 HRTIM Clock Mux 中选择 PLL1Q（与PLL1P同源50MHz）作为FDCAN时钟源，最终FDCAN内核时钟为 50 MHz（标注5）。
5.3.2.2 GPIO引脚配置
FDCAN1 引脚配置
在芯片引脚分布图中，PB8 与 PB9 被分配给 FDCAN1 外设。点击引脚后，右侧 GPIO Settings 面板显示如下参数：
引脚信号：
PB8：固定为 FDCAN1_RX (CAN 接收)
PB9：固定为 FDCAN1_TX (CAN 发送)
模式 (Mode)：复用推挽输出 (Alternate Function Push Pull)
此模式为 CAN 总线通信标准配置，确保信号驱动能力。
上下拉 (Pull-up/Pull-down)：无上下拉 (No Pull)
CAN 总线依赖终端电阻匹配，引脚内部无需上下拉电阻。
最大输出速度 (Maximum Output Speed)：高速 (High Speed)
满足 CAN 总线信号边沿速率要求。
复用功能 (Alternate Function)：AF9_FDCAN1
截图中，引脚功能下拉菜单明确选择 AF9，将 PB8/PB9 映射至 FDCAN1 控制器。
USART1 引脚配置
PA9 与 PA10 为 USART1 的默认通信引脚，其配置参数如下：
引脚信号：
PA9：固定为 USART1_TX (串口发送)
PA10：固定为 USART1_RX (串口接收)
模式 (Mode)：复用推挽输出 (Alternate Function Push Pull)
全双工异步串口的标准 GPIO 模式。
上下拉 (Pull-up/Pull-down)：无上下拉 (no pull-up and no pull-down)
最大输出速度 (Maximum Output Speed)：高速 (High Speed)
适配 115200 波特率的高速通信需求。
5.3.2.3 FDCAN 参数配置
5.3.2.3.1 同步机制说明
Classic Mode（经典 CAN 模式）
在 Classic Mode 下，整个 CAN 帧（包括数据帧和远程帧）使用 同一套 Nominal 时序 进行同步。
数据帧同步流程
远程帧同步流程
远程帧与数据帧的区别在于 没有数据段，但同步流程相同：
结论：在 Classic Mode 下，数据帧和远程帧使用完全相同的同步机制，全程基于 Nominal 时序进行硬同步（SOF）和重同步（后续所有段）。
FD Mode（CAN FD 模式）
在 FD Mode 下，CAN FD 帧支持 BRS（比特率切换），仲裁段和数据段使用 两套独立的时序参数，同步机制也相应分为两段。
数据帧同步流程（BRS = 1）：
远程帧同步流程（FD Mode）：
重要：CAN FD 协议规定，远程帧不能使用 BRS（比特率切换），即远程帧的 BRS 位必须为 0。
因此，FD Mode 下的远程帧同步流程与 Classic Mode 完全相同：
结论：在 FD Mode 下，数据帧（BRS=1）使用 Nominal + Data 两段式同步，远程帧全程使用 Nominal 同步。
两种模式核心差异
5.3.2.3.2 FDCAN 参数配置过程（以Classic Mode模式为例）
经典 CAN 模式下只使用 Nominal 相关参数，Data Prescaler、Data Sync Jump Width、Data Time Seg1、Data Time Seg2 均为 CAN FD 专用，无需配置。
波特率计算：
CAN 时钟：50 MHz
时间份额 tq = 1 / (50 MHz / 50) = 1000 ns
总位长度 = 1 + 3 + 6 = 10 tq
实际比特率 = 1 × 1000000000 / (10 × 1000 ns) = 100 kbps
5.3.2.3 串口参数配置
上图就是CubeMX 的串口1的默认配置，由图可知，默认配置如下表：
5.3.3 基于HAL库代码
5.3.3.1 fdcan.h
在fdcan.h中添加如下代码。
/* USER CODE BEGIN Prototypes */
typedef struct
{
uint16_t stdId;
uint8_t data[8];
uint8_t length;
}RxDataStruct;
void FDCAN_ConfigFilter(void);
void FDCAN_SendMsg(uint16_t stdId, uint8_t *pTxData,uint8_t length);
void FDCAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[],uint8_t *msgCount);
/* USER CODE END Prototypes */
5.3.3.2 fdcan.c
在fdcan.c中添加如下代码。
/* USER CODE BEGIN 1 */
void FDCAN_ConfigFilter(void)
{
FDCAN_FilterTypeDef sFilterConfig;
/* 1.FDCAN ID Type :Standard ID（11 bit ID）*/
sFilterConfig.IdType = FDCAN_STANDARD_ID;
/* 2.Specifies the filter which will be initialized.*/
sFilterConfig.FilterIndex = 0; // 0 and 127
/* 3.Specifies the filter type:FDCAN_FILTER_MASK */
sFilterConfig.FilterType = FDCAN_FILTER_MASK;
/* 4.Route received frames to Rx FIFO0*/
sFilterConfig.FilterConfig = FDCAN_FILTER_TO_RXFIFO0;
/* 5. Accept all IDs */
sFilterConfig.FilterID1 = 0x000; // Filter ID
sFilterConfig.FilterID2 = 0x000; // Mask
/* 6.Apply filter configuration */
if (HAL_FDCAN_ConfigFilter(&hfdcan1, &sFilterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/**
* @brief
* @param stdId 0~0x7FF
* @param pTxData 发送的数据
* @param length 发送数据字节长度
*/
void FDCAN_SendMsg(uint16_t stdId, uint8_t *pTxData,uint8_t length)
{
FDCAN_TxHeaderTypeDef pTxHeader;
/* 1.Check if Tx FIFO is ready */
while (HAL_FDCAN_GetTxFifoFreeLevel(&hfdcan1) == 0);
/* 2. Specifies the identifier.*/
pTxHeader.Identifier = stdId;
/* 3.Specifies the identifier type for the message that will be transmitted.*/
pTxHeader.IdType = FDCAN_STANDARD_ID;
/* 4.Specifies the frame type of the message that will be transmitted.*/
pTxHeader.TxFrameType = FDCAN_DATA_FRAME;
/* 5.Specifies the length of the frame that will be transmitted.*/
pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_64; // most is 64bits
switch(length)
{
case 0: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_0; break;
case 1: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_1; break;
case 2: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_2; break;
case 3: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_3; break;
case 4: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_4; break;
case 5: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_5; break;
case 6: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_6; break;
case 7: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_7; break;
case 8: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_8; break;
default: pTxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_8; break;
}
/* 6.Disable Bit Rate Switch before setting Classic CAN format */
pTxHeader.BitRateSwitch = FDCAN_BRS_OFF;
/* 7.Use Classic CAN format */
pTxHeader.FDFormat = FDCAN_CLASSIC_CAN;
/* 8.No Tx Event FIFO */
pTxHeader.TxEventFifoControl = FDCAN_NO_TX_EVENTS;
/* 9.No message marker */
pTxHeader.MessageMarker = 0;
/* 10.Apply tx configuration */
HAL_FDCAN_AddMessageToTxFifoQ(&hfdcan1,&pTxHeader,pTxData);
}
void FDCAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[],uint8_t *msgCount)
{
uint8_t i;
FDCAN_RxHeaderTypeDef rxHeader;
/* 1.Get the number of messages available in Rx FIFO0 */
*msgCount = HAL_FDCAN_GetRxFifoFillLevel(&hfdcan1, FDCAN_RX_FIFO0);
/* 2. Retrieve all messages from Rx FIFO0 */
for (i = 0; i < *msgCount; i++)
{
HAL_FDCAN_GetRxMessage(&hfdcan1, FDCAN_RX_FIFO0, &rxHeader, rxDataStruct.data);
rxDataStruct.stdId = rxHeader.Identifier;
rxDataStruct.length = rxHeader.DataLength;
}
}
/* USER CODE END 1 */
5.3.3.3 main.c
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MPU Configuration--------------------------------------------------------*/
MPU_Config();
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_FDCAN1_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 1. Configure filters */
FDCAN_ConfigFilter();
/* 2. Start CAN communication */
HAL_FDCAN_Start(&hfdcan1);
printf("CAN Silent Loopback Test Start\r\n");
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
uint16_t stdId = 0x011;
uint8_t *tData;
RxDataStruct rxDataStruct[8];
uint8_t rxMsgCount;
uint8_t i;
while (1)
{
// printf("1111\r\n");
/* 1. send data */
tData = "abcdefg";
FDCAN_SendMsg(stdId,tData,strlen((char *)tData));
printf("Send Finish\r\n");
tData = "123";
FDCAN_SendMsg(stdId,tData,strlen((char *)tData));
printf("Send Finish\r\n");
/* 2. receive data */
FDCAN_ReceiveMsg(rxDataStruct, &rxMsgCount);
printf("Receive Finish rxMsgCount = %d...\r\n", rxMsgCount);
for (i = 0; i < rxMsgCount; i++)
{
RxDataStruct msg = rxDataStruct;
printf("stdId = %d, length = %d, msgData = %s\r\n", msg.stdId, msg.length, msg.data);
}
HAL_Delay(100);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
5.3.4 打印测试结果
Send Finish
Send Finish
Receive Finish rxMsgCount = 2...
stdId = 17, length = 5, msgData = abcdefg
stdId = 17, length = 3, msgData = 123
————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「心语星愿11」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_26942353/article/details/159468119
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