目录

• 引言
• 一、CAN的应用
  • 1. 为什么车载用CAN?
  • 2. CAN连接示意
  • 3. CAN物理层特性
    • 3.1 抗干扰
    • 3.2 CAN总线电平逻辑
    • 3.3 终端电阻
  • 4. CAN内部结构
    • 4.1 发送邮箱（X Mailbox）
    • 4.2 接收FIFO
    • 4.3 过滤器(Filter)
    • 4.4 回环模式（LoopBack）
    • 4.5 CAN波特率

一、CAN的应用

1.为什么车载用CAN?

USART的问题： ① 一对一通信，不能多设备共用总线 一个USART只能接一个设备 车上几十个ECU，不可能每个都拉一对TX/RX ② 没有错误检测机制 数据被干扰了，收发双方都不知道 车上电磁干扰大，数据出错率比桌面上高得多 ③ 没有优先级机制 紧急数据（刹车信号）和普通数据（车窗位置） 在同一个总线上没有优先级区分 SPI的问题： ① 线太多（4根+每设备一根CS） 车门里面没有空间拉这么多线 ② 距离短（一般不超过30cm） 车上ECU分布在车头到车尾，距离几米到十几米 ③ 没有多主机能力 不能两个ECU同时往总线上发数据

所以引入CAN：

车上需要这种通信系统： ① 所有ECU共用两根线（CANH/CANL） —— 代替USART的一对一和SPI的多CS ② 任何ECU都可以随时发消息 —— 多主机，不需要主机轮询 ③ 紧急消息优先发送 —— 刹车信号必须比车窗信号先发 ④ 有完整的错误检测和重发机制 —— 数据错了能发现、能重发 ⑤ 距离远（最长40m@1Mbps） —— 满足车身长度需求 CAN全部做到了。

• CAN 与 USART SPI对比

对比项 USART SPI CAN ────────────────────────────────────────────────────────── 线数2（TX/RX）4+CS2（CANH/CANL） 距离 几米 几十厘米 最长40米 速度115200~921600几MHz~几十MHz 最高1Mbps （低速CAN到125kbps） 多设备 不支持 支持（需CS线） 支持（无CS线） 多主机 不支持 困难 原生支持 优先级 无 无 有（ID仲裁） 错误检测 无（只有奇偶校验） 无 有（CRC+ACK+位填充） 数据量 任意 任意 一帧最多8字节 （CAN FD最多64字节） 每帧固定格式 起始+数据+停止 无固定格式 SOF+ID+控制+数据+CRC+ACK+EOF

2. CAN连接示意

• 车载网络中：

  发动机ECU ──┐ │ 变速箱ECU ──┤ │ ABS/ESP ───┼──── CANH ────┐ │ │ ┌───── 车窗ECU 车身BCM ───┤ ├─────────┤ │ │ └───── 车门ECU 气囊ECU ───┤ CANL ────┘ │ 仪表盘 ───┘ 所有ECU都挂在同一对CANH/CANL上 任何ECU都能发消息 任何ECU都能收到所有消息（但不一定处理）

• STM32连接到CAN总线：

  STM32不能直接连CAN总线——需要CAN收发器。 CAN收发器 STM32 ┌──────────┐ CAN_TX ─┤ TX CANH├─── CANH │ │ CAN_RX ─┤ RX CANL├─── CANL │ │ └──────────┘ VCC=3.3V GND 常用CAN收发器芯片： TJA1050（5V供电，推荐） SN65HVD230（3.3V供电） TJA1040（带待机模式） STM32F103C8T6的CAN引脚： CAN1_RX=PA11 CAN1_TX=PA12

3. CAN物理层特性：

3.1 抗干扰

• USART用一根TX线传输，SPI用一根MOSI线传输。CAN为什么用两根？因为抗干扰。

  车上环境： 发动机点火线圈产生的高压脉冲 电机驱动产生的大电流突变 继电器吸合产生的电弧 这些都会在导线上感应出噪声电压 单端传输（USART/SPI）： TX对GND的电压：0V或3.3V 如果干扰在线上感应了+2V噪声 你发3.3V，对方收到5.3V 你发0V，对方收到2V（可能被误判为1） 数据就错了

  差分传输（CAN）： CANH和CANL两根线一起传 CANH-CANL 的差值代表数据 如果两根线同时被感应了+2V噪声(CANH+2)-(CANL+2)=CANH-CANL 差值不变，数据不受影响

3.2 CAN总线电平逻辑

CAN总线的两种状态： 显性（Dominant）： CANH=3.5V CANL=1.5V 差分电压=3.5-1.5=2.0V 逻辑值=0为什么叫"显性"？ 只要有一个ECU输出显性，总线就是显性 多个ECU同时输出时，显性覆盖隐性 隐性（Recessive）： CANH=2.5V CANL=2.5V 差分电压=2.5-2.5=0V 逻辑值=1为什么叫"隐性"？ 所有ECU都输出隐性时，总线才是隐性 有一个ECU输出显性，总线就被拉成显性

• 显性–差分电压有值–逻辑为0；
• 隐性–差分电压为0–逻辑为1；

• "线与"特性——和I2C的开漏类似：

  多个ECU同时发送： 如果ECU_A发显性（0），ECU_B发隐性（1） 总线结果是显性（0） 因为显性驱动能力强（推挽），隐性靠电阻（类似上拉） 这就是CAN仲裁的物理基础

• CAN控制器通过显性隐性机制实现无损仲裁：显性压倒隐性

  例如：

  ​ 发动机ECU : ID = 0X100 发送

  ​ ABS ECU : ID = 0X080 发送

  两个同时发送，CAN 不会冲突，会自动仲裁：

  规则： ID越小优先级越高；

  所以ABS先发，发动机停止发送等待下一次（是等待，不是重发）

3.3 终端电阻

CAN总线两端必须各接一个120Ω电阻： ┌──────┐ ┌──────┐ │ ECU1 │──── CANH ────│ ECU2 │ │ │120Ω120Ω │ │ │ │──── CANL ────│ │ └──────┘ └──────┘ 为什么需要终端电阻？ 防止信号反射 CAN总线上的信号频率高（最高1Mbps） 如果总线末端不匹配阻抗 信号会反射回来，和原始信号叠加 导致数据错误 为什么是120Ω？ CAN总线设计时定义的特性阻抗就是120Ω 汽车维修中经常遇到的故障就是"终端电阻丢失"表现为CAN通信时好时坏

• CAN总线：

  120Ω │ CAN_H │ │ ECU1 │ ECU2 │ ECU3 │ CAN_L │120Ω

4. CAN内部结构

• STM32F103内部CAN框图：

  ┌───────────┐ │ CPU │ └─────┬─────┘ │ ┌────────▼────────┐ │ bxCAN │ └───────┬─────────┘ │ ┌──────────┼──────────┐ │ │ │ ▼ ▼ ▼ TX邮箱(x3)Filter(14)RXFIFO(x2)│ │ └──────────┬───────────┘ ▼ CAN收发器 ▼ CAN总线

  操作CAN实际是在操作这3部分：

  发送邮箱 接收FIFO 过滤器

4.1 发送邮箱（X Mailbox）

1. 在前面时候，类似USRAT发送：

   USART_SendData();直接发进寄存器；

   CAN不同，因为数据量大：

   ​ 可能很多帧等待发送

   ​ 所以CAN内部有缓存

2. STM32中提供3个发送邮箱：

   Mailbox0 Mailbox1 Mailbox2 每个邮箱都能存1帧数据

   • 假设CPU发送：

     Frame1 Frame2 Frame3

     则：

     Mailbox0->Frame1 Mailbox1->Frame2 Mailbox2->Frame3

     然后CAN控制器自己决定：

     谁先发 谁后发

4.2 接收FIF0

1. 接收与发送不同

总线：

ECU1发送 ECU2发送 ECU3发送 都可能收到

如果CPU来不及处理–数据会丢失
所以CAN内部提供：

FIFO0 FIFO1

两个接收队列；

2. FIFO:

   First In First Out–先进先出

例如：收到3帧：

Frame1 Frame2 Frame3

存储：

FIFO ┌───────┐ │Frame1 │ ├───────┤ │Frame2 │ ├───────┤ │Frame3 │ └───────┘

CPU读取：

先读Frame1 再读Frame2 再读Frame3

3. 两个FIFO的作用：方便管理
   可以对接收到的数据进行分类

例如：

发动机数据：0x1000x1010x102放： FIFO0 诊断数据：0x7000x701放： FIFO1

4.3 过滤器(Filter)

1. 不需要的数据直接丢弃：

CAN是广播
总线上：

发动机转速 车速 ABS状态 空调状态 电池电压 电池温度 GPS数据...

可能上千条消息；
而对应ECU只关心：

电池电压

如果全部接收，过于消耗CPU;

所以CAN提供–过滤器：

不需要的数据直接丢弃； 需要的数据进进入--FIFO

2. 过滤器工作位置 – 硬件执行

   总线 ↓ Filter ↓ FIFO ↓ CPU

3. 过滤器模式：

   掩码模式--Mask Mode--全部接收 列表模式--List Mode--直接指定ID

   • 掩码模式–Mask Mode–全部接收

     例如： ID=0X100~0X1FF全部接收； 通过： ID+MASK 实现if((ID&MASK)==TARGET){接收}

   • 列表模式–List Mode–直接指定ID

     例如：0x1000x1230x5550x777接收 其他全部拒绝

4. 14组过滤器，每一组都有

   FR1 FR2 两个32位寄存器

4.4 回环模式（LoopBack）

回环模式 即:

通过CAN发送Frame 直接返回自己的接收模块： TX ↓ CAN内部 ↓ RX

4.5 CAN波特率：

常用：

125K250K500K1M

汽车中常见：

500kbps

新能源：

500kbps1Mbps

CAN传输中所有节点波特率必须一致