議入門(mén)：從物理層仲裁機(jī)制到STM32實(shí)戰(zhàn))
嵌入式項(xiàng)目做到一定階段總會(huì)遇到“多設(shè)備通信”的需求。串口簡(jiǎn)單直接但點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信不夠靈活I(lǐng)2C / SPI 適合板內(nèi)通信距離一遠(yuǎn)就不太合適RS485 能組網(wǎng)但主從輪詢(xún)模式下節(jié)點(diǎn)多了之后實(shí)時(shí)性很難保證。這時(shí)候CAN 總線往往是最合適的選擇。本文是嵌入式入門(mén)系列的第七講主題是 CAN 總線協(xié)議。我會(huì)從協(xié)議解決什么問(wèn)題講起依次分析物理層電平、幀結(jié)構(gòu)、仲裁機(jī)制、波特率配置最后給出一個(gè)基于 STM32 的 CAN 收發(fā)工程示例以及常見(jiàn)故障排查思路。學(xué)完之后你應(yīng)該能獨(dú)立讀懂 CAN 報(bào)文理解為什么兩根差分線能掛在幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)并能完成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的 CAN 通信調(diào)試。1. 為什么嵌入式開(kāi)發(fā)要學(xué) CAN 總線協(xié)議1.1 CAN 總線到底解決了什么問(wèn)題CAN 是 Controller Area Network 的縮寫(xiě)翻譯過(guò)來(lái)就是“控制器局域網(wǎng)”。它最早由 BOSCH 公司提出后來(lái)形成了 ISO 11898 系列標(biāo)準(zhǔn)主要面向汽車(chē)電子和工業(yè)控制場(chǎng)景。在沒(méi)有 CAN 的早期汽車(chē)中每個(gè)傳感器、控制器之間要通過(guò)大量線束點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。車(chē)上有幾十個(gè) ECU每個(gè) ECU 又可能需要多個(gè)傳感器信號(hào)線束數(shù)量會(huì)急劇膨脹不僅成本高而且故障排查困難。CAN 總線的作用就是讓所有控制器共享同一對(duì)差分線通過(guò)統(tǒng)一的報(bào)文機(jī)制交換數(shù)據(jù)從而大幅減少線束。從軟件角度看CAN 不是簡(jiǎn)單的“兩個(gè)設(shè)備之間傳數(shù)據(jù)”而是解決了一組問(wèn)題多主通信總線上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)起發(fā)送不需要主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度。多節(jié)點(diǎn)互聯(lián)一條總線上可以掛幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)理論上受 CAN 收發(fā)器驅(qū)動(dòng)能力和協(xié)議尋址限制。實(shí)時(shí)性保障協(xié)議自帶優(yōu)先級(jí)仲裁高優(yōu)先級(jí)報(bào)文可以搶占總線?？煽啃员Ｕ蠀f(xié)議自帶 CRC 校驗(yàn)、幀格式檢查、ACK 確認(rèn)和錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制。這些特性決定了 CAN 很適合作為汽車(chē)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、醫(yī)療設(shè)備、工程機(jī)械等場(chǎng)景的骨干通信總線。1.2 CAN 與 UART、I2C、SPI、RS485 的定位差異初學(xué)者最常問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是CAN 和串口、RS485 到底有什么區(qū)別下面把常見(jiàn)總線的定位做一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比?？偩€類(lèi)型通信模式節(jié)點(diǎn)數(shù)量距離實(shí)時(shí)性典型場(chǎng)景UART單主單從2短無(wú)仲裁調(diào)試口、模塊通信I2C單主多從多板級(jí)主從輪詢(xún)板內(nèi)傳感器、存儲(chǔ)芯片SPI單主多從多板級(jí)主從輪詢(xún)Flash、屏幕、ADCRS485一主多從多長(zhǎng)主從輪詢(xún)工業(yè)儀表、PLC 通信CAN多主多從多中長(zhǎng)硬件仲裁汽車(chē) ECU、工業(yè)控制從表中能看出RS485 和 CAN 都是差分信號(hào)抗干擾能力都比較強(qiáng)但兩者有一個(gè)關(guān)鍵差異RS485 在同一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)沒(méi)有硬件級(jí)仲裁通常依賴(lài)主站輪詢(xún)或令牌機(jī)制CAN 則允許節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送由協(xié)議在物理層自動(dòng)仲裁優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出發(fā)送并且不破壞高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的完整性。所以如果你需要一套“多個(gè)節(jié)點(diǎn)都能主動(dòng)上報(bào)、實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量不大”的通信系統(tǒng)CAN 比 RS485 更合適。1.3 CAN 的典型應(yīng)用場(chǎng)景CAN 的應(yīng)用范圍很廣下面幾個(gè)場(chǎng)景比較典型汽車(chē)電子發(fā)動(dòng)機(jī) ECU、變速箱、ABS、車(chē)身控制器、儀表盤(pán)、BMS 電池管理之間的通信。傳統(tǒng)汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)都在大量使用 CAN。工業(yè)控制傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC 之間的現(xiàn)場(chǎng)總線通信。無(wú)人機(jī)與機(jī)器人飛控、電調(diào)、云臺(tái)之間傳輸控制指令和狀態(tài)信息很多飛控內(nèi)部或外界擴(kuò)展總線用的就是 CAN。醫(yī)療設(shè)備手術(shù)臺(tái)、監(jiān)護(hù)儀、影像設(shè)備等內(nèi)部模塊通信利用 CAN 的可靠性和錯(cuò)誤檢測(cè)能力。軌道交通、船舶、農(nóng)用機(jī)械等可靠性要求較高的場(chǎng)景。即使你當(dāng)前做的是嵌入式 Linux 應(yīng)用開(kāi)發(fā)、單片機(jī)裸機(jī)開(kāi)發(fā)或者嵌入式測(cè)試方向CAN 協(xié)議都可能出現(xiàn)在項(xiàng)目需求里。這也是它成為嵌入式面試高頻考點(diǎn)的原因之一。2. CAN 總線整體架構(gòu)與核心機(jī)制2.1 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層CAN 協(xié)議體系可以粗略分成兩層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了信號(hào)電平、傳輸介質(zhì)、線束接口和終端電阻。最常用的是高速 CAN兩條信號(hào)線分別叫作 CAN_H 和 CAN_L使用差分電壓傳輸靜態(tài)時(shí)兩條線電壓接近邏輯上表示為隱性Recessive傳輸顯性Dominant電平時(shí)CAN_H 被拉高CAN_L 被拉低。數(shù)據(jù)鏈路層則定義了報(bào)文如何組幀、如何仲裁、如何校驗(yàn)、如何錯(cuò)誤重發(fā)。對(duì)寫(xiě)代碼的工程師來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)鏈路層是最需要下功夫的部分因?yàn)閰f(xié)議芯片或 MCU 內(nèi)部 CAN 控制器已經(jīng)做了大部分底層工作我們平時(shí)操作的就是數(shù)據(jù)鏈路層的收發(fā)接口。2.2 顯性與隱性電平的“線與”原理CAN 總線邏輯電平不是簡(jiǎn)單的高電平為 1、低電平為 0。協(xié)議里面隱性電平對(duì)應(yīng)邏輯 1表示“釋放總線”。顯性電平對(duì)應(yīng)邏輯 0表示“占用總線”。關(guān)鍵規(guī)則是“線與”當(dāng)總線上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出顯性電平總線上就是顯性電平只有當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都輸出隱性電平總線才表現(xiàn)為隱性。舉個(gè)例子。節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送隱位“1”節(jié)點(diǎn) B 發(fā)送顯位“0”總線上的結(jié)果是顯位“0”。這個(gè)特性的直接意義是發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的每一個(gè)位周期內(nèi)都能實(shí)時(shí)回讀總線電平一旦發(fā)現(xiàn)“我發(fā)的是隱性但總線讀到顯性”就知道有其他更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送于是本節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送。正是因?yàn)橛辛诉@種機(jī)制CAN 才能在不需要主機(jī)調(diào)度的情況下實(shí)現(xiàn)多主并發(fā)通信。2.3 多主通信與非破壞性仲裁仲裁是 CAN 協(xié)議中最核心的設(shè)計(jì)之一。多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)它們會(huì)從幀起始位開(kāi)始同步發(fā)送隨后在仲裁段逐位比較。具體過(guò)程是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送 ID 的同時(shí)回讀總線電平。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是隱性位 1但讀到的總線電平是顯性位 0說(shuō)明存在優(yōu)先級(jí)更高的節(jié)點(diǎn)本節(jié)點(diǎn)退出競(jìng)爭(zhēng)。仲裁獲勝的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送剩余幀內(nèi)容不被打斷。仲裁依據(jù) ID 進(jìn)行ID 數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。例如有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送 ID 0x100節(jié)點(diǎn) B 發(fā)送 ID 0x200二進(jìn)制比較時(shí)0x100 的高位比 0x200 更早出現(xiàn)顯性位因此節(jié)點(diǎn) A 贏得仲裁節(jié)點(diǎn) B 自動(dòng)進(jìn)入接收狀態(tài)。這個(gè)仲裁過(guò)程是在硬件中自動(dòng)完成的不需要軟件參與。對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)報(bào)文 ID 時(shí)就要考慮優(yōu)先級(jí)關(guān)鍵控制報(bào)文分配小 ID比如電機(jī)控制、剎車(chē)控制普通狀態(tài)報(bào)文分配大 ID比如傳感器周期上報(bào)。2.4 錯(cuò)誤處理機(jī)制CAN 的可靠性很大程度上來(lái)自完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。協(xié)議規(guī)定了多種錯(cuò)誤類(lèi)型位錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)送某一位后回讀結(jié)果與自己發(fā)送的不同。填充錯(cuò)誤連續(xù) 5 個(gè)相同極性位后沒(méi)有出現(xiàn)反相位填充位。CRC 錯(cuò)誤接收方計(jì)算出的 CRC 與發(fā)送方寫(xiě)入的 CRC 不一致。形式錯(cuò)誤固定格式的位段值不合法例如 EOF 段應(yīng)當(dāng)全部是隱性位。ACK 錯(cuò)誤發(fā)送方?jīng)]有收到接收節(jié)點(diǎn)的顯性 ACK 應(yīng)答。發(fā)生錯(cuò)誤后節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀。每個(gè) CAN 控制器內(nèi)部還有錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器根據(jù)錯(cuò)誤類(lèi)型累加或減少。節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)分為主動(dòng)錯(cuò)誤、被動(dòng)錯(cuò)誤和總線關(guān)閉主動(dòng)錯(cuò)誤正常參與通信發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。被動(dòng)錯(cuò)誤仍然能收發(fā)但只能發(fā)送被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志發(fā)送優(yōu)先級(jí)也受到限制?？偩€關(guān)閉退出總線通信無(wú)法參與收發(fā)需要軟件處理或等待恢復(fù)條件滿足后重新進(jìn)入總線。這里不展開(kāi)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的具體算法但嵌入式面試中經(jīng)常出現(xiàn)“錯(cuò)誤幀是什么”“節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 Bus Off 后怎么辦”這樣的問(wèn)題。你需要記住錯(cuò)誤幀不是某一種壞報(bào)文而是節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到錯(cuò)誤之后按協(xié)議規(guī)定主動(dòng)上報(bào)的一種幀類(lèi)型錯(cuò)誤幀本身也是合法的 CAN 幀不是隨意發(fā)的垃圾數(shù)據(jù)。3. CAN 報(bào)文類(lèi)型與幀格式詳解3.1 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀是最常用的幀類(lèi)型用于發(fā)送實(shí)際數(shù)據(jù)。一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀包含以下段位段名稱(chēng)作用幀起始 SOF1 位顯性位表示幀開(kāi)始仲裁段包含 ID 和 RTR 位用于仲裁控制段包含 IDE、DLC 等控制信息數(shù)據(jù)段0 到 8 字節(jié)有效數(shù)據(jù)CRC 段15 位 CRC 校驗(yàn)和 CRC 界定符ACK 段接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)顯性 ACK幀結(jié)束 EOF7 位隱性位表示幀結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)幀使用 11 位 ID所以標(biāo)準(zhǔn)幀 ID 范圍是 0x000 到 0x7FF。擴(kuò)展幀使用 29 位 ID取值范圍更大。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀中實(shí)際有效數(shù)據(jù)最多 8 字節(jié)這也是 CAN 協(xié)議比較適合傳輸控制命令、小包狀態(tài)數(shù)據(jù)的原因。在 STM32 等 MCU 的 CAN 控制器中發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)通常只需要填好標(biāo)準(zhǔn) ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼 DLC 和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制器會(huì)自動(dòng)完成 SOF、CRC、ACK、EOF 的插入。3.2 遠(yuǎn)程幀遠(yuǎn)程幀用于請(qǐng)求某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。它和普通數(shù)據(jù)幀的格式很接近但有兩個(gè)明顯區(qū)別RTR 位為 1表示這是一個(gè)遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度 DLC 為 0遠(yuǎn)程幀本身不攜帶數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到遠(yuǎn)程幀后如果請(qǐng)求的 ID 與自身配置一致這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。實(shí)際工程中遠(yuǎn)程幀使用頻率低于數(shù)據(jù)幀很多基于 CAN 的應(yīng)用協(xié)議干脆規(guī)定只使用數(shù)據(jù)幀所有節(jié)點(diǎn)通過(guò) ID 區(qū)分和處理報(bào)文。3.3 錯(cuò)誤幀與過(guò)載幀錯(cuò)誤幀是節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上存在錯(cuò)誤時(shí)主動(dòng)發(fā)送的幀用于通知其他節(jié)點(diǎn)本次傳輸失敗。錯(cuò)誤幀由兩部分組成錯(cuò)誤標(biāo)志主動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)出 6 個(gè)顯性位被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)出 6 個(gè)隱性位。錯(cuò)誤界定符8 個(gè)隱性位用于恢復(fù)總線狀態(tài)。錯(cuò)誤幀會(huì)把當(dāng)前正在傳輸?shù)膱?bào)文打斷然后所有節(jié)點(diǎn)重新開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)總線。如果總線上頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤幀通常意味著總線物理層問(wèn)題、波特率不一致或某個(gè)節(jié)點(diǎn)存在故障。過(guò)載幀用于接收節(jié)點(diǎn)來(lái)不及處理數(shù)據(jù)時(shí)請(qǐng)求延遲后續(xù)報(bào)文實(shí)際使用中不如錯(cuò)誤幀常見(jiàn)。入門(mén)階段先知道它的存在即可。3.4 幀間隔與位填充幀與幀之間并不是緊挨著的協(xié)議規(guī)定了一般幀間至少要有一段間隔。主流幀類(lèi)型之間還包含標(biāo)準(zhǔn)的 3 位隱性中斷間隔這保證了總線上的幀清晰可分辨。另一個(gè)值得了解的概念是位填充。CAN 總線在從 SOF 到 CRC 段的傳輸過(guò)程中如果連續(xù)出現(xiàn) 5 個(gè)相同極性的位會(huì)自動(dòng)插入 1 個(gè)反極性位。接收端收到數(shù)據(jù)后會(huì)再把這 1 個(gè)填充位去掉恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。位填充的目的是避免長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有跳變導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)失去位同步同時(shí)它也是一種錯(cuò)誤檢測(cè)手段。如果接收端發(fā)現(xiàn)超過(guò) 5 個(gè)連續(xù)相同位而沒(méi)有填充位就會(huì)判定為填充錯(cuò)誤。4. 波特率、位時(shí)序與采樣點(diǎn)4.1 CAN 波特率構(gòu)成CAN 通信雙方必須使用相同波特率否則會(huì)頻繁觸發(fā)錯(cuò)誤幀。一個(gè) CAN 位時(shí)間可以拆分成多個(gè)時(shí)間量子Time Quantum簡(jiǎn)稱(chēng) Tq常見(jiàn)位時(shí)間由四部分組成同步段 SYNC_SEG固定 1 Tq用于同步總線上所有節(jié)點(diǎn)。傳播段 PROP_SEG用于補(bǔ)償信號(hào)在總線上傳播的物理延遲。相位緩沖段 1 PHASE_SEG1用于補(bǔ)償上升沿誤差。相位緩沖段 2 PHASE_SEG2用于補(bǔ)償下降沿誤差。同步跳轉(zhuǎn)寬度 SJW 表示重新同步時(shí)允許相位緩沖段調(diào)整的最大 Tq 數(shù)。波特率計(jì)算公式如下波特率 外設(shè)時(shí)鐘頻率 / (Prescaler * (1 TimeSeg1 TimeSeg2))其中 Prescaler 是波特率預(yù)分頻系數(shù)。TimeSeg1 通常包含傳播段和相位緩沖段 1 的長(zhǎng)度HAL 庫(kù)中的 BS1 就是這兩段之和TimeSeg2 對(duì)應(yīng)相位緩沖段 2HAL 庫(kù)中的 BS2。4.2 采樣點(diǎn)計(jì)算公式采樣點(diǎn)位置決定了 CAN 通信的穩(wěn)定性尤其在不同線纜長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)距離下采樣點(diǎn)設(shè)置不合理會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)通信失敗。采樣點(diǎn)公式采樣點(diǎn) (SYNC_SEG BS1) / (SYNC_SEG BS1 BS2)如果用 Tq 表示采樣點(diǎn) (1 BS1) / (1 BS1 BS2)常見(jiàn)的采樣點(diǎn)推薦范圍是 75% 到 87.5%。采樣點(diǎn)太靠前信號(hào)可能還沒(méi)穩(wěn)定采樣點(diǎn)太靠后對(duì)傳播延遲的容忍度就會(huì)下降。4.3 常用波特率配置思路以 STM32F1 系列為例如果 APB1 外設(shè)時(shí)鐘為 36MHz目標(biāo)波特率是 500kbps可以這樣分配Prescaler 4得到 Tq 時(shí)鐘頻率 36MHz / 4 9MHz。每個(gè)位時(shí)間需要 9000000 / 500000 18 個(gè) Tq。分配SYNC_SEG 1 TqBS1 13 TqBS2 4 TqSJW 1 Tq。采樣點(diǎn) (1 13) / 18 ≈ 77.8%。對(duì)應(yīng) HAL 庫(kù)初始化代碼如下hcan.Init.Prescaler 4; hcan.Init.SyncJumpWidth CAN_SJW_1TQ; hcan.Init.TimeSeg1 CAN_BS1_13TQ; hcan.Init.TimeSeg2 CAN_BS2_4TQ;這里特別提醒不同芯片的 CAN 控制器位時(shí)序范圍不一樣STM32 的 BS1 范圍通常是 1 到 16BS2 范圍是 1 到 8但其他廠家的 MCU 不一定只有相同選項(xiàng)。配置波特率時(shí)優(yōu)先查閱芯片參考手冊(cè)和 HAL 驅(qū)動(dòng)說(shuō)明不要照搬值。5. 實(shí)戰(zhàn)STM32 最小 CAN 收發(fā)工程5.1 硬件連接起步階段建議準(zhǔn)備兩塊開(kāi)發(fā)板比如常見(jiàn) STM32F103 系列開(kāi)發(fā)板再配兩個(gè) CAN 收發(fā)器模塊例如 TJA1050、MCP2551 等。連接方式如下開(kāi)發(fā)板 CAN_TX 引腳接收發(fā)器 TXD。開(kāi)發(fā)板 CAN_RX 引腳接收發(fā)器 RXD。收發(fā)器 CAN_H 接總線 CAN_H。收發(fā)器 CAN_L 接總線 CAN_L。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共地GND 相連。高速 CAN 總線兩端分別接 120Ω 終端電阻。很多開(kāi)發(fā)板已經(jīng)集成了 CAN 收發(fā)器和終端電阻使用前建議先看原理圖確認(rèn)是否需要外接電阻避免重復(fù)接入導(dǎo)致信號(hào)幅值異常。5.2 基于 STM32CubeMX 的配置思路以 STM32CubeMX HAL 庫(kù)為例配置步驟大致如下選擇 MCU 型號(hào)。開(kāi)啟 CAN1。配置 CAN 參數(shù)模式選擇 Normal 或 Loopback波特率按芯片時(shí)鐘重新計(jì)算。配置一個(gè)串口用于打印調(diào)試信息。生成工程后在 main.c 中補(bǔ)充過(guò)濾器配置、啟動(dòng) CAN 和中斷回調(diào)。需要注意的是不同 CubeMX 版本生成的代碼結(jié)構(gòu)略有差別下面代碼主要演示核心邏輯不保證直接復(fù)制到所有工程都能運(yùn)行。5.3 CAN 初始化代碼CAN 初始化函數(shù)中需要設(shè)置 CAN 控制器外設(shè)實(shí)例、預(yù)分頻器、位時(shí)序和工作模式。// 文件路徑Core/Src/can.c void MX_CAN1_Init(void) { hcan.Instance CAN1; hcan.Init.Prescaler 4; hcan.Init.Mode CAN_MODE_NORMAL; hcan.Init.SyncJumpWidth CAN_SJW_1TQ; hcan.Init.TimeSeg1 CAN_BS1_13TQ; hcan.Init.TimeSeg2 CAN_BS2_4TQ; hcan.Init.TimeTriggeredMode DISABLE; hcan.Init.AutoBusOff DISABLE; hcan.Init.AutoWakeUp DISABLE; hcan.Init.AutoRetransmission ENABLE; hcan.Init.ReceiveFifoLocked DISABLE; hcan.Init.TransmitFifoPriority ENABLE; if (HAL_CAN_Init(hcan) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } }關(guān)于參數(shù)說(shuō)明Mode 設(shè)置為 Normal 是正常參與總線通信如果設(shè)置為 Loopback則節(jié)點(diǎn)自發(fā)自收不經(jīng)過(guò)外部總線。AutoRetransmission 開(kāi)啟后發(fā)送失敗會(huì)自動(dòng)重發(fā)適合需要可靠傳輸?shù)膱?chǎng)景。AutoBusOff 設(shè)置為 DISABLE 時(shí)進(jìn)入 Bus Off 后不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)需要軟件干預(yù)便于排查問(wèn)題。5.4 過(guò)濾器配置STM32 CAN 接收過(guò)濾器可以篩選 ID也可以接收全部報(bào)文。調(diào)試階段最簡(jiǎn)單的方式是配置成接收所有報(bào)文void CAN_Filter_Config(void) { CAN_FilterTypeDef filterConfig; filterConfig.FilterBank 0; filterConfig.FilterMode CAN_FILTERMODE_IDMASK; filterConfig.FilterScale CAN_FILTERSCALE_32BIT; filterConfig.FilterIdHigh 0x0000; filterConfig.FilterIdLow 0x0000; filterConfig.FilterMaskIdHigh 0x0000; filterConfig.FilterMaskIdLow 0x0000; filterConfig.FilterFIFOAssignment CAN_RX_FIFO0; filterConfig.FilterActivation ENABLE; if (HAL_CAN_ConfigFilter(hcan, filterConfig) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } }當(dāng) Mask 全部為 0 時(shí)表示不關(guān)心 ID 的每一位所有報(bào)文都能進(jìn)入接收 FIFO。等通信穩(wěn)定后再根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置 ID 掩碼只接收自己關(guān)心的報(bào)文。5.5 CAN 發(fā)送函數(shù)發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀核心是填充 CAN_TxHeaderTypeDef 結(jié)構(gòu)體uint8_t CAN_SendData(uint32_t stdId, uint8_t *data, uint8_t len) { CAN_TxHeaderTypeDef txHeader; uint32_t txMailbox 0; txHeader.StdId stdId; txHeader.ExtId 0; txHeader.IDE CAN_ID_STD; txHeader.RTR CAN_RTR_DATA; txHeader.DLC len; if (HAL_CAN_AddTxMessage(hcan, txHeader, data, txMailbox) ! HAL_OK) { return 0; } return 1; }說(shuō)明StdId 是標(biāo)準(zhǔn)幀 ID范圍 0 到 0x7FF。IDE 選擇 CAN_ID_STD 為標(biāo)準(zhǔn)幀CAN_ID_EXT 為擴(kuò)展幀。RTR 為 CAN_RTR_DATA 表示數(shù)據(jù)幀CAN_RTR_REMOTE 表示遠(yuǎn)程幀。DLC 表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度CAN 最大是 8。5.6 CAN 接收中斷回調(diào)配置好 CAN 接收中斷后每收到一個(gè)報(bào)文HAL 庫(kù)會(huì)調(diào)用接收 FIFO0 消息掛起回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)中讀取報(bào)文內(nèi)容void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) { CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader; uint8_t rxData[8]; if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, rxHeader, rxData) ! HAL_OK) { return; } printf(RX: ID0x%03X DLC%d\n, rxHeader.StdId, rxHeader.DLC); for (uint8_t i 0; i rxHeader.DLC; i) { printf(%02X , rxData[i]); } printf(\n); }實(shí)際項(xiàng)目中不建議在中斷回調(diào)里直接調(diào)用 printf因?yàn)?printf 會(huì)阻塞中斷執(zhí)行可能導(dǎo)致后續(xù)報(bào)文丟失。更穩(wěn)妥的做法是把接收到的報(bào)文拷貝到一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)或消息隊(duì)列在主循環(huán)中處理。5.7 主循環(huán)測(cè)試代碼主函數(shù)啟動(dòng) CAN 后可以周期發(fā)送一幀測(cè)試數(shù)據(jù)int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART2_UART_Init(); MX_CAN1_Init(); CAN_Filter_Config(); HAL_CAN_Start(hcan); HAL_CAN_ActivateNotification(hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING); uint8_t txData[8] {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08}; while (1) { CAN_SendData(0x123, txData, 8); HAL_Delay(1000); } }將兩塊開(kāi)發(fā)板下載相同程序后如果接線正確、波特率一致串口上應(yīng)該能看到對(duì)方發(fā)來(lái)的 CAN 報(bào)文。如果只有一塊開(kāi)發(fā)板可以先把 CAN 模式改成 Loopback測(cè)試 CAN 控制器驅(qū)動(dòng)是否正常。5.8 使用回環(huán)模式自測(cè)回環(huán)模式適合在沒(méi)有外部收發(fā)器或沒(méi)有第二塊板子時(shí)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)。配置也很簡(jiǎn)單把初始化中的 Mode 改為 CAN_MODE_LOOPBACK 即可。在回環(huán)模式下MCU 發(fā)送的報(bào)文會(huì)直接進(jìn)入自己接收 FIFO所以可以在接收回調(diào)中打印自己發(fā)送的內(nèi)容。此時(shí)不需要物理總線上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)應(yīng)答。6. CAN 總線常見(jiàn)異常與排查思路6.1 只有單節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)送失敗如果總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)發(fā)送方會(huì)一直等待其他節(jié)點(diǎn)回復(fù) ACK。由于沒(méi)有第二個(gè)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)接收發(fā)送端會(huì)產(chǎn)生 ACK 錯(cuò)誤并且反復(fù)重發(fā)最終可能報(bào) Bus Off。排查思路確認(rèn)是否真的連接了第二個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果用調(diào)試工具確認(rèn)總線終端電阻是否接好。單節(jié)點(diǎn)調(diào)試時(shí)先把 CAN 模式改為回環(huán)模式驗(yàn)證控制器基本收發(fā)鏈路。6.2 通信失敗或偶發(fā)失敗兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信不穩(wěn)定最常見(jiàn)原因是波特率不一致或采樣點(diǎn)設(shè)置不合理。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的位時(shí)序計(jì)算方式不同雖然名義上都是 500kbps但實(shí)際波特率會(huì)有誤差導(dǎo)致某些幀可以被識(shí)別某些幀出現(xiàn)錯(cuò)誤幀。排查思路統(tǒng)一兩側(cè)波特率預(yù)分頻和位時(shí)序參數(shù)。使用 CAN 分析工具實(shí)際監(jiān)測(cè)總線上波特率。如果距離較遠(yuǎn)檢查采樣點(diǎn)位置是否在推薦范圍內(nèi)。6.3 錯(cuò)誤幀頻繁出現(xiàn)總線上頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤幀可以從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個(gè)方向排查。常見(jiàn)的物理層問(wèn)題包括CAN_H 和 CAN_L 接反。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有共地。終端電阻缺失、位置不對(duì)或阻抗異常。線纜過(guò)長(zhǎng)、干擾過(guò)大?？偩€被某個(gè)故障節(jié)點(diǎn)持續(xù)拉低。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層問(wèn)題包括波特率不一致。不同節(jié)點(diǎn)采樣點(diǎn)差異過(guò)大。幀類(lèi)型不匹配比如一端配置成擴(kuò)展幀另一端發(fā)送的是標(biāo)準(zhǔn)幀。排查時(shí)建議使用示波器或邏輯分析儀觀察 CAN_H 和 CAN_L 波形先確認(rèn)波形形態(tài)正確再深入查看協(xié)議層錯(cuò)誤。6.4 接收回調(diào)不觸發(fā)接收中斷不觸發(fā)但示波器能看到總線上有報(bào)文通常是過(guò)濾器和中斷配置問(wèn)題過(guò)濾器掩碼配置過(guò)嚴(yán)導(dǎo)致報(bào)文被過(guò)濾掉。FIFO 分配錯(cuò)誤報(bào)文進(jìn)入 FIFO1但只使能了 FIFO0 中斷。沒(méi)有調(diào)用 HAL_CAN_ActivateNotification 使能接收中斷。中斷優(yōu)先級(jí)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致中斷一直被其他中斷搶占或者無(wú)法響應(yīng)。調(diào)試時(shí)先按“接收所有報(bào)文”配置過(guò)濾器排除過(guò)濾器因素。6.5 常見(jiàn)問(wèn)題排查清單問(wèn)題現(xiàn)象常見(jiàn)原因解決思路單節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)錯(cuò)無(wú) ACK 應(yīng)答增加節(jié)點(diǎn)或使用回環(huán)模式自測(cè)通信時(shí)好時(shí)壞波特率不一致、采樣點(diǎn)不當(dāng)統(tǒng)一位時(shí)序參數(shù)用分析儀確認(rèn)實(shí)際波特率錯(cuò)誤幀頻繁終端電阻缺失、線序接反、未共地檢查物理連接用示波器查看差分波形發(fā)送成功但收不到過(guò)濾器配置過(guò)嚴(yán)先配置為接收所有報(bào)文再逐步收斂接收中斷不觸發(fā)中斷未使能或 FIFO 分配錯(cuò)誤檢查 HAL_CAN_ActivateNotification 和 FIFO 配置發(fā)送失敗但總線有波形設(shè)置了 AutoBusOff 且已進(jìn)入 Bus Off等待恢復(fù)或軟件復(fù)位 CAN 控制器7. CAN 總線工程落地的最佳實(shí)踐7.1 報(bào)文 ID 規(guī)劃與 DBCCAN 總線不是把幾個(gè)報(bào)文發(fā)出來(lái)就結(jié)束了。工程中最容易踩坑的是報(bào)文 ID 沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃后續(xù)增加功能時(shí)出現(xiàn) ID 沖突或優(yōu)先級(jí)混亂。建議在項(xiàng)目初期做一份 ID 分配表至少包含ID 數(shù)值。報(bào)文名稱(chēng)。報(bào)文類(lèi)型周期/事件/診斷。發(fā)送節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和具體信號(hào)定義。當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)可以使用 DBC 文件描述報(bào)文和信號(hào)信息。DBC 是 CAN 總線的通用描述格式很多 CAN 分析工具都支持直接導(dǎo)入 DBC聯(lián)調(diào)和測(cè)試時(shí)不用反復(fù)問(wèn)每個(gè)信號(hào)在第幾個(gè)字節(jié)。7.2 周期報(bào)文與事件報(bào)文在 CAN 報(bào)文設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的發(fā)送策略有兩類(lèi)周期報(bào)文按固定時(shí)間間隔發(fā)送比如電機(jī)轉(zhuǎn)速每 10ms 發(fā)送一次節(jié)點(diǎn)狀態(tài)每 100ms 發(fā)送一次。周期報(bào)文適合狀態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)接收方可以通過(guò)報(bào)文超時(shí)判斷發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否故障。事件報(bào)文當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生時(shí)發(fā)送比如急停按鈕被按下、故障觸發(fā)。事件報(bào)文實(shí)時(shí)性高但要注意限流防止異常情況下節(jié)點(diǎn)瘋狂發(fā)報(bào)文。實(shí)際系統(tǒng)中通?；旌鲜褂脙烧?。關(guān)鍵控制命令既要快速響應(yīng)又需要接收方及時(shí)判斷鏈路是否中斷所以往往采用較短周期發(fā)送或者“事件觸發(fā) 周期兜底”的雙重策略。7.3 節(jié)點(diǎn)故障隔離與總線關(guān)閉策略每個(gè) CAN 節(jié)點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)考慮錯(cuò)誤狀態(tài)監(jiān)控。當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器持續(xù)上升說(shuō)明節(jié)點(diǎn)通信環(huán)境可能存在問(wèn)題。如果節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 Bus Off它會(huì)徹底退出總線通信這對(duì)汽車(chē)、工業(yè)控制來(lái)說(shuō)可能非常危險(xiǎn)。更好的做法是在軟件中讀取錯(cuò)誤狀態(tài)確定是否進(jìn)入被動(dòng)錯(cuò)誤或 Bus Off。根據(jù)錯(cuò)誤等級(jí)執(zhí)行降級(jí)策略例如停止周期性發(fā)送、保留故障診斷信息、記錄錯(cuò)誤日志。不要無(wú)腦自動(dòng)恢復(fù)發(fā)送否則總線環(huán)境未恢復(fù)時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)反復(fù)制造錯(cuò)誤幀。需要恢復(fù)時(shí)通過(guò)錯(cuò)誤狀態(tài)分析、延時(shí)重啟或重新初始化 CAN 外設(shè)來(lái)恢復(fù)正常通信。開(kāi)啟 AutoRetransmission 可以讓硬件自動(dòng)重發(fā)失敗報(bào)文但也要結(jié)合具體場(chǎng)景評(píng)估。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求極高的控制報(bào)文連續(xù)重發(fā)會(huì)占用總線時(shí)間反而影響其他節(jié)點(diǎn)。7.4 安全與可靠性建議雖然 CAN 協(xié)議本身有 CRC 校驗(yàn)但在實(shí)際工程中仍需要額外的安全措施對(duì)重要的報(bào)文增加序號(hào)和校驗(yàn)和防止漏幀或數(shù)據(jù)被篡改后仍能通過(guò)協(xié)議 CRC。對(duì)控制類(lèi)命令做超時(shí)管理接收方在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到新命令應(yīng)進(jìn)入安全狀態(tài)。懷疑數(shù)據(jù)可靠性時(shí)不要直接信任單幀數(shù)據(jù)可以連續(xù)多幀一致后才執(zhí)行。在硬件設(shè)計(jì)中CAN 收發(fā)器附近應(yīng)做好 ESD 防護(hù)、TVS 管使用雙絞屏蔽線必要時(shí)增加共模電感。信號(hào)線應(yīng)避免與電源線、大電流線長(zhǎng)期平行走線減少電磁干擾。7.5 接收中斷中少做耗時(shí)操作CAN 報(bào)文是短報(bào)文但遇到高波特率時(shí)一秒鐘可能收到幾千幀。如果在接收中斷回調(diào)中做數(shù)據(jù)解析、日志打印、甚至驅(qū)動(dòng)電機(jī)很容易導(dǎo)致中斷溢出。建議把接收回調(diào)只當(dāng)作“數(shù)據(jù)搬運(yùn)工”從 CAN 控制器讀出數(shù)據(jù)后馬上放入隊(duì)列或環(huán)形緩沖區(qū)立刻返回中斷。解析、濾波、協(xié)議處理放到主循環(huán)或?qū)Ｓ萌蝿?wù)中完成。8. 總結(jié)與下一步學(xué)習(xí)建議8.1 本講核心掌握點(diǎn)這一講圍繞 CAN 總線協(xié)議最重要的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以這樣梳理CAN 是一個(gè)多主、帶優(yōu)先級(jí)仲裁、帶錯(cuò)誤自檢的串行通信協(xié)議適合實(shí)時(shí)性要求高的多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景。物理層使用差分信號(hào)總線邏輯為“線與”顯性位 0 優(yōu)先級(jí)高于隱性位 1。幀結(jié)構(gòu)核心是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀標(biāo)準(zhǔn)幀 ID 為 11 位擴(kuò)展幀 ID 為 29 位數(shù)據(jù)最多 8 字節(jié)。錯(cuò)誤幀頻繁出現(xiàn)時(shí)重點(diǎn)排查波特率、終端電阻、線序、共地問(wèn)題。波特率與采樣點(diǎn)要統(tǒng)一規(guī)劃不能只看名義上的波特率數(shù)值。對(duì)嵌入式初學(xué)者來(lái)說(shuō)能做 CAN 收發(fā)只是第一步能夠定位“為什么總線上一堆錯(cuò)誤幀”才是真正體現(xiàn)調(diào)試能力的地方。8.2 繼續(xù)深入學(xué)習(xí)路線把基礎(chǔ)收發(fā)跑通之后下一步可以往兩個(gè)方向深入一是協(xié)議方向。學(xué)習(xí)了裸的 CAN 報(bào)文之后可以接觸 CANopen、J1939、UDS 等應(yīng)用層協(xié)議理解它們?nèi)绾位?CAN 幀定義對(duì)象字典、報(bào)文周期、診斷流程。汽車(chē)電子方向特別需要 UDS 和 J1939 的知識(shí)。二是系統(tǒng)方向。如果你在做嵌入式 Linux可以學(xué)習(xí) SocketCAN它把 CAN 設(shè)備抽象成網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)用層可以使用標(biāo)準(zhǔn) socket 讀寫(xiě) CAN 報(bào)文。這樣可以把 CAN 和上位機(jī)、復(fù)雜的應(yīng)用邏輯結(jié)合起來(lái)工程能力會(huì)提升一個(gè)臺(tái)階。如果你準(zhǔn)備嵌入式面試數(shù)據(jù)幀的字段、仲裁規(guī)則、錯(cuò)誤幀和錯(cuò)誤狀態(tài)這幾個(gè)點(diǎn)是必刷內(nèi)容。建議親手用開(kāi)發(fā)板抓一次總線波形把 ID、DLC、CRC、ACK 都對(duì)照著看一遍這類(lèi)經(jīng)驗(yàn)很難僅靠背概念替代。 CAN總線協(xié)議入門(mén)：從物理層仲裁機(jī)制到STM32實(shí)戰(zhàn)
嵌入式項(xiàng)目做到一定階段總會(huì)遇到“多設(shè)備通信”的需求。串口簡(jiǎn)單直接但點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信不夠靈活I(lǐng)2C / SPI 適合板內(nèi)通信距離一遠(yuǎn)就不太合適RS485 能組網(wǎng)但主從輪詢(xún)模式下節(jié)點(diǎn)多了之后實(shí)時(shí)性很難保證。這時(shí)候CAN 總線往往是最合適的選擇。本文是嵌入式入門(mén)系列的第七講主題是 CAN 總線協(xié)議。我會(huì)從協(xié)議解決什么問(wèn)題講起依次分析物理層電平、幀結(jié)構(gòu)、仲裁機(jī)制、波特率配置最后給出一個(gè)基于 STM32 的 CAN 收發(fā)工程示例以及常見(jiàn)故障排查思路。學(xué)完之后你應(yīng)該能獨(dú)立讀懂 CAN 報(bào)文理解為什么兩根差分線能掛在幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)并能完成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的 CAN 通信調(diào)試。1. 為什么嵌入式開(kāi)發(fā)要學(xué) CAN 總線協(xié)議1.1 CAN 總線到底解決了什么問(wèn)題CAN 是 Controller Area Network 的縮寫(xiě)翻譯過(guò)來(lái)就是“控制器局域網(wǎng)”。它最早由 BOSCH 公司提出后來(lái)形成了 ISO 11898 系列標(biāo)準(zhǔn)主要面向汽車(chē)電子和工業(yè)控制場(chǎng)景。在沒(méi)有 CAN 的早期汽車(chē)中每個(gè)傳感器、控制器之間要通過(guò)大量線束點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。車(chē)上有幾十個(gè) ECU每個(gè) ECU 又可能需要多個(gè)傳感器信號(hào)線束數(shù)量會(huì)急劇膨脹不僅成本高而且故障排查困難。CAN 總線的作用就是讓所有控制器共享同一對(duì)差分線通過(guò)統(tǒng)一的報(bào)文機(jī)制交換數(shù)據(jù)從而大幅減少線束。從軟件角度看CAN 不是簡(jiǎn)單的“兩個(gè)設(shè)備之間傳數(shù)據(jù)”而是解決了一組問(wèn)題多主通信總線上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)起發(fā)送不需要主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度。多節(jié)點(diǎn)互聯(lián)一條總線上可以掛幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)理論上受 CAN 收發(fā)器驅(qū)動(dòng)能力和協(xié)議尋址限制。實(shí)時(shí)性保障協(xié)議自帶優(yōu)先級(jí)仲裁高優(yōu)先級(jí)報(bào)文可以搶占總線?？煽啃员Ｕ蠀f(xié)議自帶 CRC 校驗(yàn)、幀格式檢查、ACK 確認(rèn)和錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制。這些特性決定了 CAN 很適合作為汽車(chē)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、醫(yī)療設(shè)備、工程機(jī)械等場(chǎng)景的骨干通信總線。1.2 CAN 與 UART、I2C、SPI、RS485 的定位差異初學(xué)者最常問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是CAN 和串口、RS485 到底有什么區(qū)別下面把常見(jiàn)總線的定位做一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比?？偩€類(lèi)型通信模式節(jié)點(diǎn)數(shù)量距離實(shí)時(shí)性典型場(chǎng)景UART單主單從2短無(wú)仲裁調(diào)試口、模塊通信I2C單主多從多板級(jí)主從輪詢(xún)板內(nèi)傳感器、存儲(chǔ)芯片SPI單主多從多板級(jí)主從輪詢(xún)Flash、屏幕、ADCRS485一主多從多長(zhǎng)主從輪詢(xún)工業(yè)儀表、PLC 通信CAN多主多從多中長(zhǎng)硬件仲裁汽車(chē) ECU、工業(yè)控制從表中能看出RS485 和 CAN 都是差分信號(hào)抗干擾能力都比較強(qiáng)但兩者有一個(gè)關(guān)鍵差異RS485 在同一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)沒(méi)有硬件級(jí)仲裁通常依賴(lài)主站輪詢(xún)或令牌機(jī)制CAN 則允許節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送由協(xié)議在物理層自動(dòng)仲裁優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出發(fā)送并且不破壞高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的完整性。所以如果你需要一套“多個(gè)節(jié)點(diǎn)都能主動(dòng)上報(bào)、實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量不大”的通信系統(tǒng)CAN 比 RS485 更合適。1.3 CAN 的典型應(yīng)用場(chǎng)景CAN 的應(yīng)用范圍很廣下面幾個(gè)場(chǎng)景比較典型汽車(chē)電子發(fā)動(dòng)機(jī) ECU、變速箱、ABS、車(chē)身控制器、儀表盤(pán)、BMS 電池管理之間的通信。傳統(tǒng)汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)都在大量使用 CAN。工業(yè)控制傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC 之間的現(xiàn)場(chǎng)總線通信。無(wú)人機(jī)與機(jī)器人飛控、電調(diào)、云臺(tái)之間傳輸控制指令和狀態(tài)信息很多飛控內(nèi)部或外界擴(kuò)展總線用的就是 CAN。醫(yī)療設(shè)備手術(shù)臺(tái)、監(jiān)護(hù)儀、影像設(shè)備等內(nèi)部模塊通信利用 CAN 的可靠性和錯(cuò)誤檢測(cè)能力。軌道交通、船舶、農(nóng)用機(jī)械等可靠性要求較高的場(chǎng)景。即使你當(dāng)前做的是嵌入式 Linux 應(yīng)用開(kāi)發(fā)、單片機(jī)裸機(jī)開(kāi)發(fā)或者嵌入式測(cè)試方向CAN 協(xié)議都可能出現(xiàn)在項(xiàng)目需求里。這也是它成為嵌入式面試高頻考點(diǎn)的原因之一。2. CAN 總線整體架構(gòu)與核心機(jī)制2.1 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層CAN 協(xié)議體系可以粗略分成兩層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了信號(hào)電平、傳輸介質(zhì)、線束接口和終端電阻。最常用的是高速 CAN兩條信號(hào)線分別叫作 CAN_H 和 CAN_L使用差分電壓傳輸靜態(tài)時(shí)兩條線電壓接近邏輯上表示為隱性Recessive傳輸顯性Dominant電平時(shí)CAN_H 被拉高CAN_L 被拉低。數(shù)據(jù)鏈路層則定義了報(bào)文如何組幀、如何仲裁、如何校驗(yàn)、如何錯(cuò)誤重發(fā)。對(duì)寫(xiě)代碼的工程師來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)鏈路層是最需要下功夫的部分因?yàn)閰f(xié)議芯片或 MCU 內(nèi)部 CAN 控制器已經(jīng)做了大部分底層工作我們平時(shí)操作的就是數(shù)據(jù)鏈路層的收發(fā)接口。2.2 顯性與隱性電平的“線與”原理CAN 總線邏輯電平不是簡(jiǎn)單的高電平為 1、低電平為 0。協(xié)議里面隱性電平對(duì)應(yīng)邏輯 1表示“釋放總線”。顯性電平對(duì)應(yīng)邏輯 0表示“占用總線”。關(guān)鍵規(guī)則是“線與”當(dāng)總線上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出顯性電平總線上就是顯性電平只有當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都輸出隱性電平總線才表現(xiàn)為隱性。舉個(gè)例子。節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送隱位“1”節(jié)點(diǎn) B 發(fā)送顯位“0”總線上的結(jié)果是顯位“0”。這個(gè)特性的直接意義是發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的每一個(gè)位周期內(nèi)都能實(shí)時(shí)回讀總線電平一旦發(fā)現(xiàn)“我發(fā)的是隱性但總線讀到顯性”就知道有其他更高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送于是本節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送。正是因?yàn)橛辛诉@種機(jī)制CAN 才能在不需要主機(jī)調(diào)度的情況下實(shí)現(xiàn)多主并發(fā)通信。2.3 多主通信與非破壞性仲裁仲裁是 CAN 協(xié)議中最核心的設(shè)計(jì)之一。多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)它們會(huì)從幀起始位開(kāi)始同步發(fā)送隨后在仲裁段逐位比較。具體過(guò)程是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送 ID 的同時(shí)回讀總線電平。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是隱性位 1但讀到的總線電平是顯性位 0說(shuō)明存在優(yōu)先級(jí)更高的節(jié)點(diǎn)本節(jié)點(diǎn)退出競(jìng)爭(zhēng)。仲裁獲勝的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送剩余幀內(nèi)容不被打斷。仲裁依據(jù) ID 進(jìn)行ID 數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。例如有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送 ID 0x100節(jié)點(diǎn) B 發(fā)送 ID 0x200二進(jìn)制比較時(shí)0x100 的高位比 0x200 更早出現(xiàn)顯性位因此節(jié)點(diǎn) A 贏得仲裁節(jié)點(diǎn) B 自動(dòng)進(jìn)入接收狀態(tài)。這個(gè)仲裁過(guò)程是在硬件中自動(dòng)完成的不需要軟件參與。對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)報(bào)文 ID 時(shí)就要考慮優(yōu)先級(jí)關(guān)鍵控制報(bào)文分配小 ID比如電機(jī)控制、剎車(chē)控制普通狀態(tài)報(bào)文分配大 ID比如傳感器周期上報(bào)。2.4 錯(cuò)誤處理機(jī)制CAN 的可靠性很大程度上來(lái)自完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。協(xié)議規(guī)定了多種錯(cuò)誤類(lèi)型位錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)送某一位后回讀結(jié)果與自己發(fā)送的不同。填充錯(cuò)誤連續(xù) 5 個(gè)相同極性位后沒(méi)有出現(xiàn)反相位填充位。CRC 錯(cuò)誤接收方計(jì)算出的 CRC 與發(fā)送方寫(xiě)入的 CRC 不一致。形式錯(cuò)誤固定格式的位段值不合法例如 EOF 段應(yīng)當(dāng)全部是隱性位。ACK 錯(cuò)誤發(fā)送方?jīng)]有收到接收節(jié)點(diǎn)的顯性 ACK 應(yīng)答。發(fā)生錯(cuò)誤后節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀。每個(gè) CAN 控制器內(nèi)部還有錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器根據(jù)錯(cuò)誤類(lèi)型累加或減少。節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)分為主動(dòng)錯(cuò)誤、被動(dòng)錯(cuò)誤和總線關(guān)閉主動(dòng)錯(cuò)誤正常參與通信發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。被動(dòng)錯(cuò)誤仍然能收發(fā)但只能發(fā)送被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志發(fā)送優(yōu)先級(jí)也受到限制?？偩€關(guān)閉退出總線通信無(wú)法參與收發(fā)需要軟件處理或等待恢復(fù)條件滿足后重新進(jìn)入總線。這里不展開(kāi)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的具體算法但嵌入式面試中經(jīng)常出現(xiàn)“錯(cuò)誤幀是什么”“節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 Bus Off 后怎么辦”這樣的問(wèn)題。你需要記住錯(cuò)誤幀不是某一種壞報(bào)文而是節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到錯(cuò)誤之后按協(xié)議規(guī)定主動(dòng)上報(bào)的一種幀類(lèi)型錯(cuò)誤幀本身也是合法的 CAN 幀不是隨意發(fā)的垃圾數(shù)據(jù)。3. CAN 報(bào)文類(lèi)型與幀格式詳解3.1 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀是最常用的幀類(lèi)型用于發(fā)送實(shí)際數(shù)據(jù)。一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀包含以下段位段名稱(chēng)作用幀起始 SOF1 位顯性位表示幀開(kāi)始仲裁段包含 ID 和 RTR 位用于仲裁控制段包含 IDE、DLC 等控制信息數(shù)據(jù)段0 到 8 字節(jié)有效數(shù)據(jù)CRC 段15 位 CRC 校驗(yàn)和 CRC 界定符ACK 段接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)顯性 ACK幀結(jié)束 EOF7 位隱性位表示幀結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)幀使用 11 位 ID所以標(biāo)準(zhǔn)幀 ID 范圍是 0x000 到 0x7FF。擴(kuò)展幀使用 29 位 ID取值范圍更大。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀中實(shí)際有效數(shù)據(jù)最多 8 字節(jié)這也是 CAN 協(xié)議比較適合傳輸控制命令、小包狀態(tài)數(shù)據(jù)的原因。在 STM32 等 MCU 的 CAN 控制器中發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)通常只需要填好標(biāo)準(zhǔn) ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼 DLC 和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制器會(huì)自動(dòng)完成 SOF、CRC、ACK、EOF 的插入。3.2 遠(yuǎn)程幀遠(yuǎn)程幀用于請(qǐng)求某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。它和普通數(shù)據(jù)幀的格式很接近但有兩個(gè)明顯區(qū)別RTR 位為 1表示這是一個(gè)遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度 DLC 為 0遠(yuǎn)程幀本身不攜帶數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到遠(yuǎn)程幀后如果請(qǐng)求的 ID 與自身配置一致這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。實(shí)際工程中遠(yuǎn)程幀使用頻率低于數(shù)據(jù)幀很多基于 CAN 的應(yīng)用協(xié)議干脆規(guī)定只使用數(shù)據(jù)幀所有節(jié)點(diǎn)通過(guò) ID 區(qū)分和處理報(bào)文。3.3 錯(cuò)誤幀與過(guò)載幀錯(cuò)誤幀是節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上存在錯(cuò)誤時(shí)主動(dòng)發(fā)送的幀用于通知其他節(jié)點(diǎn)本次傳輸失敗。錯(cuò)誤幀由兩部分組成錯(cuò)誤標(biāo)志主動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)出 6 個(gè)顯性位被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)發(fā)出 6 個(gè)隱性位。錯(cuò)誤界定符8 個(gè)隱性位用于恢復(fù)總線狀態(tài)。錯(cuò)誤幀會(huì)把當(dāng)前正在傳輸?shù)膱?bào)文打斷然后所有節(jié)點(diǎn)重新開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)總線。如果總線上頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤幀通常意味著總線物理層問(wèn)題、波特率不一致或某個(gè)節(jié)點(diǎn)存在故障。過(guò)載幀用于接收節(jié)點(diǎn)來(lái)不及處理數(shù)據(jù)時(shí)請(qǐng)求延遲后續(xù)報(bào)文實(shí)際使用中不如錯(cuò)誤幀常見(jiàn)。入門(mén)階段先知道它的存在即可。3.4 幀間隔與位填充幀與幀之間并不是緊挨著的協(xié)議規(guī)定了一般幀間至少要有一段間隔。主流幀類(lèi)型之間還包含標(biāo)準(zhǔn)的 3 位隱性中斷間隔這保證了總線上的幀清晰可分辨。另一個(gè)值得了解的概念是位填充。CAN 總線在從 SOF 到 CRC 段的傳輸過(guò)程中如果連續(xù)出現(xiàn) 5 個(gè)相同極性的位會(huì)自動(dòng)插入 1 個(gè)反極性位。接收端收到數(shù)據(jù)后會(huì)再把這 1 個(gè)填充位去掉恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。位填充的目的是避免長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有跳變導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)失去位同步同時(shí)它也是一種錯(cuò)誤檢測(cè)手段。如果接收端發(fā)現(xiàn)超過(guò) 5 個(gè)連續(xù)相同位而沒(méi)有填充位就會(huì)判定為填充錯(cuò)誤。4. 波特率、位時(shí)序與采樣點(diǎn)4.1 CAN 波特率構(gòu)成CAN 通信雙方必須使用相同波特率否則會(huì)頻繁觸發(fā)錯(cuò)誤幀。一個(gè) CAN 位時(shí)間可以拆分成多個(gè)時(shí)間量子Time Quantum簡(jiǎn)稱(chēng) Tq常見(jiàn)位時(shí)間由四部分組成同步段 SYNC_SEG固定 1 Tq用于同步總線上所有節(jié)點(diǎn)。傳播段 PROP_SEG用于補(bǔ)償信號(hào)在總線上傳播的物理延遲。相位緩沖段 1 PHASE_SEG1用于補(bǔ)償上升沿誤差。相位緩沖段 2 PHASE_SEG2用于補(bǔ)償下降沿誤差。同步跳轉(zhuǎn)寬度 SJW 表示重新同步時(shí)允許相位緩沖段調(diào)整的最大 Tq 數(shù)。波特率計(jì)算公式如下波特率 外設(shè)時(shí)鐘頻率 / (Prescaler * (1 TimeSeg1 TimeSeg2))其中 Prescaler 是波特率預(yù)分頻系數(shù)。TimeSeg1 通常包含傳播段和相位緩沖段 1 的長(zhǎng)度HAL 庫(kù)中的 BS1 就是這兩段之和TimeSeg2 對(duì)應(yīng)相位緩沖段 2HAL 庫(kù)中的 BS2。4.2 采樣點(diǎn)計(jì)算公式采樣點(diǎn)位置決定了 CAN 通信的穩(wěn)定性尤其在不同線纜長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)距離下采樣點(diǎn)設(shè)置不合理會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)通信失敗。采樣點(diǎn)公式采樣點(diǎn) (SYNC_SEG BS1) / (SYNC_SEG BS1 BS2)如果用 Tq 表示采樣點(diǎn) (1 BS1) / (1 BS1 BS2)常見(jiàn)的采樣點(diǎn)推薦范圍是 75% 到 87.5%。采樣點(diǎn)太靠前信號(hào)可能還沒(méi)穩(wěn)定采樣點(diǎn)太靠后對(duì)傳播延遲的容忍度就會(huì)下降。4.3 常用波特率配置思路以 STM32F1 系列為例如果 APB1 外設(shè)時(shí)鐘為 36MHz目標(biāo)波特率是 500kbps可以這樣分配Prescaler 4得到 Tq 時(shí)鐘頻率 36MHz / 4 9MHz。每個(gè)位時(shí)間需要 9000000 / 500000 18 個(gè) Tq。分配SYNC_SEG 1 TqBS1 13 TqBS2 4 TqSJW 1 Tq。采樣點(diǎn) (1 13) / 18 ≈ 77.8%。對(duì)應(yīng) HAL 庫(kù)初始化代碼如下hcan.Init.Prescaler 4; hcan.Init.SyncJumpWidth CAN_SJW_1TQ; hcan.Init.TimeSeg1 CAN_BS1_13TQ; hcan.Init.TimeSeg2 CAN_BS2_4TQ;這里特別提醒不同芯片的 CAN 控制器位時(shí)序范圍不一樣STM32 的 BS1 范圍通常是 1 到 16BS2 范圍是 1 到 8但其他廠家的 MCU 不一定只有相同選項(xiàng)。配置波特率時(shí)優(yōu)先查閱芯片參考手冊(cè)和 HAL 驅(qū)動(dòng)說(shuō)明不要照搬值。5. 實(shí)戰(zhàn)STM32 最小 CAN 收發(fā)工程5.1 硬件連接起步階段建議準(zhǔn)備兩塊開(kāi)發(fā)板比如常見(jiàn) STM32F103 系列開(kāi)發(fā)板再配兩個(gè) CAN 收發(fā)器模塊例如 TJA1050、MCP2551 等。連接方式如下開(kāi)發(fā)板 CAN_TX 引腳接收發(fā)器 TXD。開(kāi)發(fā)板 CAN_RX 引腳接收發(fā)器 RXD。收發(fā)器 CAN_H 接總線 CAN_H。收發(fā)器 CAN_L 接總線 CAN_L。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共地GND 相連。高速 CAN 總線兩端分別接 120Ω 終端電阻。很多開(kāi)發(fā)板已經(jīng)集成了 CAN 收發(fā)器和終端電阻使用前建議先看原理圖確認(rèn)是否需要外接電阻避免重復(fù)接入導(dǎo)致信號(hào)幅值異常。5.2 基于 STM32CubeMX 的配置思路以 STM32CubeMX HAL 庫(kù)為例配置步驟大致如下選擇 MCU 型號(hào)。開(kāi)啟 CAN1。配置 CAN 參數(shù)模式選擇 Normal 或 Loopback波特率按芯片時(shí)鐘重新計(jì)算。配置一個(gè)串口用于打印調(diào)試信息。生成工程后在 main.c 中補(bǔ)充過(guò)濾器配置、啟動(dòng) CAN 和中斷回調(diào)。需要注意的是不同 CubeMX 版本生成的代碼結(jié)構(gòu)略有差別下面代碼主要演示核心邏輯不保證直接復(fù)制到所有工程都能運(yùn)行。5.3 CAN 初始化代碼CAN 初始化函數(shù)中需要設(shè)置 CAN 控制器外設(shè)實(shí)例、預(yù)分頻器、位時(shí)序和工作模式。// 文件路徑Core/Src/can.c void MX_CAN1_Init(void) { hcan.Instance CAN1; hcan.Init.Prescaler 4; hcan.Init.Mode CAN_MODE_NORMAL; hcan.Init.SyncJumpWidth CAN_SJW_1TQ; hcan.Init.TimeSeg1 CAN_BS1_13TQ; hcan.Init.TimeSeg2 CAN_BS2_4TQ; hcan.Init.TimeTriggeredMode DISABLE; hcan.Init.AutoBusOff DISABLE; hcan.Init.AutoWakeUp DISABLE; hcan.Init.AutoRetransmission ENABLE; hcan.Init.ReceiveFifoLocked DISABLE; hcan.Init.TransmitFifoPriority ENABLE; if (HAL_CAN_Init(hcan) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } }關(guān)于參數(shù)說(shuō)明Mode 設(shè)置為 Normal 是正常參與總線通信如果設(shè)置為 Loopback則節(jié)點(diǎn)自發(fā)自收不經(jīng)過(guò)外部總線。AutoRetransmission 開(kāi)啟后發(fā)送失敗會(huì)自動(dòng)重發(fā)適合需要可靠傳輸?shù)膱?chǎng)景。AutoBusOff 設(shè)置為 DISABLE 時(shí)進(jìn)入 Bus Off 后不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)需要軟件干預(yù)便于排查問(wèn)題。5.4 過(guò)濾器配置STM32 CAN 接收過(guò)濾器可以篩選 ID也可以接收全部報(bào)文。調(diào)試階段最簡(jiǎn)單的方式是配置成接收所有報(bào)文void CAN_Filter_Config(void) { CAN_FilterTypeDef filterConfig; filterConfig.FilterBank 0; filterConfig.FilterMode CAN_FILTERMODE_IDMASK; filterConfig.FilterScale CAN_FILTERSCALE_32BIT; filterConfig.FilterIdHigh 0x0000; filterConfig.FilterIdLow 0x0000; filterConfig.FilterMaskIdHigh 0x0000; filterConfig.FilterMaskIdLow 0x0000; filterConfig.FilterFIFOAssignment CAN_RX_FIFO0; filterConfig.FilterActivation ENABLE; if (HAL_CAN_ConfigFilter(hcan, filterConfig) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } }當(dāng) Mask 全部為 0 時(shí)表示不關(guān)心 ID 的每一位所有報(bào)文都能進(jìn)入接收 FIFO。等通信穩(wěn)定后再根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置 ID 掩碼只接收自己關(guān)心的報(bào)文。5.5 CAN 發(fā)送函數(shù)發(fā)送一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀核心是填充 CAN_TxHeaderTypeDef 結(jié)構(gòu)體uint8_t CAN_SendData(uint32_t stdId, uint8_t *data, uint8_t len) { CAN_TxHeaderTypeDef txHeader; uint32_t txMailbox 0; txHeader.StdId stdId; txHeader.ExtId 0; txHeader.IDE CAN_ID_STD; txHeader.RTR CAN_RTR_DATA; txHeader.DLC len; if (HAL_CAN_AddTxMessage(hcan, txHeader, data, txMailbox) ! HAL_OK) { return 0; } return 1; }說(shuō)明StdId 是標(biāo)準(zhǔn)幀 ID范圍 0 到 0x7FF。IDE 選擇 CAN_ID_STD 為標(biāo)準(zhǔn)幀CAN_ID_EXT 為擴(kuò)展幀。RTR 為 CAN_RTR_DATA 表示數(shù)據(jù)幀CAN_RTR_REMOTE 表示遠(yuǎn)程幀。DLC 表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度CAN 最大是 8。5.6 CAN 接收中斷回調(diào)配置好 CAN 接收中斷后每收到一個(gè)報(bào)文HAL 庫(kù)會(huì)調(diào)用接收 FIFO0 消息掛起回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)中讀取報(bào)文內(nèi)容void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) { CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader; uint8_t rxData[8]; if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, rxHeader, rxData) ! HAL_OK) { return; } printf(RX: ID0x%03X DLC%d\n, rxHeader.StdId, rxHeader.DLC); for (uint8_t i 0; i rxHeader.DLC; i) { printf(%02X , rxData[i]); } printf(\n); }實(shí)際項(xiàng)目中不建議在中斷回調(diào)里直接調(diào)用 printf因?yàn)?printf 會(huì)阻塞中斷執(zhí)行可能導(dǎo)致后續(xù)報(bào)文丟失。更穩(wěn)妥的做法是把接收到的報(bào)文拷貝到一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)或消息隊(duì)列在主循環(huán)中處理。5.7 主循環(huán)測(cè)試代碼主函數(shù)啟動(dòng) CAN 后可以周期發(fā)送一幀測(cè)試數(shù)據(jù)int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART2_UART_Init(); MX_CAN1_Init(); CAN_Filter_Config(); HAL_CAN_Start(hcan); HAL_CAN_ActivateNotification(hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING); uint8_t txData[8] {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08}; while (1) { CAN_SendData(0x123, txData, 8); HAL_Delay(1000); } }將兩塊開(kāi)發(fā)板下載相同程序后如果接線正確、波特率一致串口上應(yīng)該能看到對(duì)方發(fā)來(lái)的 CAN 報(bào)文。如果只有一塊開(kāi)發(fā)板可以先把 CAN 模式改成 Loopback測(cè)試 CAN 控制器驅(qū)動(dòng)是否正常。5.8 使用回環(huán)模式自測(cè)回環(huán)模式適合在沒(méi)有外部收發(fā)器或沒(méi)有第二塊板子時(shí)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)。配置也很簡(jiǎn)單把初始化中的 Mode 改為 CAN_MODE_LOOPBACK 即可。在回環(huán)模式下MCU 發(fā)送的報(bào)文會(huì)直接進(jìn)入自己接收 FIFO所以可以在接收回調(diào)中打印自己發(fā)送的內(nèi)容。此時(shí)不需要物理總線上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)應(yīng)答。6. CAN 總線常見(jiàn)異常與排查思路6.1 只有單節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)送失敗如果總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)發(fā)送方會(huì)一直等待其他節(jié)點(diǎn)回復(fù) ACK。由于沒(méi)有第二個(gè)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)接收發(fā)送端會(huì)產(chǎn)生 ACK 錯(cuò)誤并且反復(fù)重發(fā)最終可能報(bào) Bus Off。排查思路確認(rèn)是否真的連接了第二個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果用調(diào)試工具確認(rèn)總線終端電阻是否接好。單節(jié)點(diǎn)調(diào)試時(shí)先把 CAN 模式改為回環(huán)模式驗(yàn)證控制器基本收發(fā)鏈路。6.2 通信失敗或偶發(fā)失敗兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信不穩(wěn)定最常見(jiàn)原因是波特率不一致或采樣點(diǎn)設(shè)置不合理。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的位時(shí)序計(jì)算方式不同雖然名義上都是 500kbps但實(shí)際波特率會(huì)有誤差導(dǎo)致某些幀可以被識(shí)別某些幀出現(xiàn)錯(cuò)誤幀。排查思路統(tǒng)一兩側(cè)波特率預(yù)分頻和位時(shí)序參數(shù)。使用 CAN 分析工具實(shí)際監(jiān)測(cè)總線上波特率。如果距離較遠(yuǎn)檢查采樣點(diǎn)位置是否在推薦范圍內(nèi)。6.3 錯(cuò)誤幀頻繁出現(xiàn)總線上頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤幀可以從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個(gè)方向排查。常見(jiàn)的物理層問(wèn)題包括CAN_H 和 CAN_L 接反。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有共地。終端電阻缺失、位置不對(duì)或阻抗異常。線纜過(guò)長(zhǎng)、干擾過(guò)大?？偩€被某個(gè)故障節(jié)點(diǎn)持續(xù)拉低。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層問(wèn)題包括波特率不一致。不同節(jié)點(diǎn)采樣點(diǎn)差異過(guò)大。幀類(lèi)型不匹配比如一端配置成擴(kuò)展幀另一端發(fā)送的是標(biāo)準(zhǔn)幀。排查時(shí)建議使用示波器或邏輯分析儀觀察 CAN_H 和 CAN_L 波形先確認(rèn)波形形態(tài)正確再深入查看協(xié)議層錯(cuò)誤。6.4 接收回調(diào)不觸發(fā)接收中斷不觸發(fā)但示波器能看到總線上有報(bào)文通常是過(guò)濾器和中斷配置問(wèn)題過(guò)濾器掩碼配置過(guò)嚴(yán)導(dǎo)致報(bào)文被過(guò)濾掉。FIFO 分配錯(cuò)誤報(bào)文進(jìn)入 FIFO1但只使能了 FIFO0 中斷。沒(méi)有調(diào)用 HAL_CAN_ActivateNotification 使能接收中斷。中斷優(yōu)先級(jí)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致中斷一直被其他中斷搶占或者無(wú)法響應(yīng)。調(diào)試時(shí)先按“接收所有報(bào)文”配置過(guò)濾器排除過(guò)濾器因素。6.5 常見(jiàn)問(wèn)題排查清單問(wèn)題現(xiàn)象常見(jiàn)原因解決思路單節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)錯(cuò)無(wú) ACK 應(yīng)答增加節(jié)點(diǎn)或使用回環(huán)模式自測(cè)通信時(shí)好時(shí)壞波特率不一致、采樣點(diǎn)不當(dāng)統(tǒng)一位時(shí)序參數(shù)用分析儀確認(rèn)實(shí)際波特率錯(cuò)誤幀頻繁終端電阻缺失、線序接反、未共地檢查物理連接用示波器查看差分波形發(fā)送成功但收不到過(guò)濾器配置過(guò)嚴(yán)先配置為接收所有報(bào)文再逐步收斂接收中斷不觸發(fā)中斷未使能或 FIFO 分配錯(cuò)誤檢查 HAL_CAN_ActivateNotification 和 FIFO 配置發(fā)送失敗但總線有波形設(shè)置了 AutoBusOff 且已進(jìn)入 Bus Off等待恢復(fù)或軟件復(fù)位 CAN 控制器7. CAN 總線工程落地的最佳實(shí)踐7.1 報(bào)文 ID 規(guī)劃與 DBCCAN 總線不是把幾個(gè)報(bào)文發(fā)出來(lái)就結(jié)束了。工程中最容易踩坑的是報(bào)文 ID 沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃后續(xù)增加功能時(shí)出現(xiàn) ID 沖突或優(yōu)先級(jí)混亂。建議在項(xiàng)目初期做一份 ID 分配表至少包含ID 數(shù)值。報(bào)文名稱(chēng)。報(bào)文類(lèi)型周期/事件/診斷。發(fā)送節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和具體信號(hào)定義。當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)可以使用 DBC 文件描述報(bào)文和信號(hào)信息。DBC 是 CAN 總線的通用描述格式很多 CAN 分析工具都支持直接導(dǎo)入 DBC聯(lián)調(diào)和測(cè)試時(shí)不用反復(fù)問(wèn)每個(gè)信號(hào)在第幾個(gè)字節(jié)。7.2 周期報(bào)文與事件報(bào)文在 CAN 報(bào)文設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的發(fā)送策略有兩類(lèi)周期報(bào)文按固定時(shí)間間隔發(fā)送比如電機(jī)轉(zhuǎn)速每 10ms 發(fā)送一次節(jié)點(diǎn)狀態(tài)每 100ms 發(fā)送一次。周期報(bào)文適合狀態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)接收方可以通過(guò)報(bào)文超時(shí)判斷發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否故障。事件報(bào)文當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生時(shí)發(fā)送比如急停按鈕被按下、故障觸發(fā)。事件報(bào)文實(shí)時(shí)性高但要注意限流防止異常情況下節(jié)點(diǎn)瘋狂發(fā)報(bào)文。實(shí)際系統(tǒng)中通?；旌鲜褂脙烧?。關(guān)鍵控制命令既要快速響應(yīng)又需要接收方及時(shí)判斷鏈路是否中斷所以往往采用較短周期發(fā)送或者“事件觸發(fā) 周期兜底”的雙重策略。7.3 節(jié)點(diǎn)故障隔離與總線關(guān)閉策略每個(gè) CAN 節(jié)點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)考慮錯(cuò)誤狀態(tài)監(jiān)控。當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器持續(xù)上升說(shuō)明節(jié)點(diǎn)通信環(huán)境可能存在問(wèn)題。如果節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 Bus Off它會(huì)徹底退出總線通信這對(duì)汽車(chē)、工業(yè)控制來(lái)說(shuō)可能非常危險(xiǎn)。更好的做法是在軟件中讀取錯(cuò)誤狀態(tài)確定是否進(jìn)入被動(dòng)錯(cuò)誤或 Bus Off。根據(jù)錯(cuò)誤等級(jí)執(zhí)行降級(jí)策略例如停止周期性發(fā)送、保留故障診斷信息、記錄錯(cuò)誤日志。不要無(wú)腦自動(dòng)恢復(fù)發(fā)送否則總線環(huán)境未恢復(fù)時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)反復(fù)制造錯(cuò)誤幀。需要恢復(fù)時(shí)通過(guò)錯(cuò)誤狀態(tài)分析、延時(shí)重啟或重新初始化 CAN 外設(shè)來(lái)恢復(fù)正常通信。開(kāi)啟 AutoRetransmission 可以讓硬件自動(dòng)重發(fā)失敗報(bào)文但也要結(jié)合具體場(chǎng)景評(píng)估。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求極高的控制報(bào)文連續(xù)重發(fā)會(huì)占用總線時(shí)間反而影響其他節(jié)點(diǎn)。7.4 安全與可靠性建議雖然 CAN 協(xié)議本身有 CRC 校驗(yàn)但在實(shí)際工程中仍需要額外的安全措施對(duì)重要的報(bào)文增加序號(hào)和校驗(yàn)和防止漏幀或數(shù)據(jù)被篡改后仍能通過(guò)協(xié)議 CRC。對(duì)控制類(lèi)命令做超時(shí)管理接收方在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到新命令應(yīng)進(jìn)入安全狀態(tài)。懷疑數(shù)據(jù)可靠性時(shí)不要直接信任單幀數(shù)據(jù)可以連續(xù)多幀一致后才執(zhí)行。在硬件設(shè)計(jì)中CAN 收發(fā)器附近應(yīng)做好 ESD 防護(hù)、TVS 管使用雙絞屏蔽線必要時(shí)增加共模電感。信號(hào)線應(yīng)避免與電源線、大電流線長(zhǎng)期平行走線減少電磁干擾。7.5 接收中斷中少做耗時(shí)操作CAN 報(bào)文是短報(bào)文但遇到高波特率時(shí)一秒鐘可能收到幾千幀。如果在接收中斷回調(diào)中做數(shù)據(jù)解析、日志打印、甚至驅(qū)動(dòng)電機(jī)很容易導(dǎo)致中斷溢出。建議把接收回調(diào)只當(dāng)作“數(shù)據(jù)搬運(yùn)工”從 CAN 控制器讀出數(shù)據(jù)后馬上放入隊(duì)列或環(huán)形緩沖區(qū)立刻返回中斷。解析、濾波、協(xié)議處理放到主循環(huán)或?qū)Ｓ萌蝿?wù)中完成。8. 總結(jié)與下一步學(xué)習(xí)建議8.1 本講核心掌握點(diǎn)這一講圍繞 CAN 總線協(xié)議最重要的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以這樣梳理CAN 是一個(gè)多主、帶優(yōu)先級(jí)仲裁、帶錯(cuò)誤自檢的串行通信協(xié)議適合實(shí)時(shí)性要求高的多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景。物理層使用差分信號(hào)總線邏輯為“線與”顯性位 0 優(yōu)先級(jí)高于隱性位 1。幀結(jié)構(gòu)核心是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀標(biāo)準(zhǔn)幀 ID 為 11 位擴(kuò)展幀 ID 為 29 位數(shù)據(jù)最多 8 字節(jié)。錯(cuò)誤幀頻繁出現(xiàn)時(shí)重點(diǎn)排查波特率、終端電阻、線序、共地問(wèn)題。波特率與采樣點(diǎn)要統(tǒng)一規(guī)劃不能只看名義上的波特率數(shù)值。對(duì)嵌入式初學(xué)者來(lái)說(shuō)能做 CAN 收發(fā)只是第一步能夠定位“為什么總線上一堆錯(cuò)誤幀”才是真正體現(xiàn)調(diào)試能力的地方。8.2 繼續(xù)深入學(xué)習(xí)路線把基礎(chǔ)收發(fā)跑通之后下一步可以往兩個(gè)方向深入一是協(xié)議方向。學(xué)習(xí)了裸的 CAN 報(bào)文之后可以接觸 CANopen、J1939、UDS 等應(yīng)用層協(xié)議理解它們?nèi)绾位?CAN 幀定義對(duì)象字典、報(bào)文周期、診斷流程。汽車(chē)電子方向特別需要 UDS 和 J1939 的知識(shí)。二是系統(tǒng)方向。如果你在做嵌入式 Linux可以學(xué)習(xí) SocketCAN它把 CAN 設(shè)備抽象成網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)用層可以使用標(biāo)準(zhǔn) socket 讀寫(xiě) CAN 報(bào)文。這樣可以把 CAN 和上位機(jī)、復(fù)雜的應(yīng)用邏輯結(jié)合起來(lái)工程能力會(huì)提升一個(gè)臺(tái)階。如果你準(zhǔn)備嵌入式面試數(shù)據(jù)幀的字段、仲裁規(guī)則、錯(cuò)誤幀和錯(cuò)誤狀態(tài)這幾個(gè)點(diǎn)是必刷內(nèi)容。建議親手用開(kāi)發(fā)板抓一次總線波形把 ID、DLC、CRC、ACK 都對(duì)照著看一遍這類(lèi)經(jīng)驗(yàn)很難僅靠背概念替代。