最近修改日期：2026-01-29

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参与者：Jackrainman

CAN 总线通信原理与软件驱动架构

0. 引言

如果你从来没有了解过这个概念，这个视频能帮助你更好地了解本文档：https://www.bilibili.com/video/BV14k4y187e6/

1. 概述

CAN (Controller Area Network) 是一种广泛应用于汽车与工业控制的串行通信协议。在机器人开发中，CAN 总线因其走线简单（节省线束）和极高的抗干扰能力，成为电控系统（ECU）之间通信的首选方案。

节省线束的优势： CAN 总线最开始是为了减少铜线的长度而开发的。如果不使用 CAN 总线，每个 ECU 之间都需要单独的连线，这将使用数倍长的铜线，而且线束会非常杂乱。通过 CAN 总线，多个 ECU 只需要挂载到总线上就可以组成局域网通讯，大大减少了线束的长度和复杂度。

通信系统由三个层级构成：

• 物理层（硬件）：包括单片机、CAN 收发器与双绞线。
• 数据链路层（控制器）：STM32 内部集成的 bx CAN 或 FDCAN 外设。
• 应用层（软件）：基于 can_list.c 驱动的协议解析与业务处理。

1.1 核心术语表

2. CAN 协议基础

2.1 报文帧类型

CAN 协议定义了四种帧类型：

1. 数据帧：携带实际数据，包含以下部分：

   • 仲裁场：ID + RTR 位
   • 控制场：IDE 位 + 保留位 + DLC
   • 数据场：0-8/64 字节数据
   • CRC 场：循环冗余校验码
   • 应答场：ACK 位 + EOF

   详细说明： - 起始位：必须是逻辑 0，标识帧的开始 - 识别码（ID）：根据这 11 位识别码就能知道这一帧信息是发给哪一个设备的，每一个设备都有属于自己的 11 位识别码。ID 不仅是设备的唯一识别码，而且还代表了优先级。 - IDE 位：用于区分标准格式和扩展格式。在标准格式当中有 11 位识别码，这一位是逻辑 0；而在扩展格式中，它的识别码有 29 位，这一位是逻辑 1。 - 保留位：逻辑 0，用于未来扩展 - DLC 位（数据长度代码）：4 位，二进制编码范围是 0~8。如果 DLC=1，则后面的数据位就只有 1 个字节（8 位）；如果 DLC=8，则后面的数据位就是 8 个字节（64 位）。 - CRC 码：16 位循环冗余校验码，用于确保数据的准确性。首先是 15 位 CRC 校验码，设备接收端会根据数据计算出它的 CRC 位，如果计算出来的和接收到的 CRC 不一致，说明数据存在问题，就会重新发送一遍数据帧。 - CRC 界定符：逻辑 1，目的是为了把后面的信息隔开 - ACK 应答位：第一位是 ACK 确认槽，发送端发送的是逻辑 1，而接收端回复的是逻辑 0 来表示应答。第二位是 ACK 界定符，一定是逻辑 1，作用是把后面的数据隔开 - 7 位结束位（EOF）：这 7 位都是逻辑 1，表示数据帧传输结束

2. 远程帧：请求特定 ID 的数据，不含数据场

3. 错误帧：节点检测到错误时发送
4. 过载帧：请求延迟下一帧传输

目前代码中只有数据帧与远程帧，并没有错误帧和过载帧。远程帧简单来说，是用来请求数据的。

2.2 仲裁机制

CAN 采用非破坏性位仲裁： - 所有节点同时发送时，逐位比较 ID - 发送显性位（0）的节点覆盖隐性位（1） - ID 值越小优先级越高（显性位多） - 优先级高的节点继续发送，其他节点转为接收模式

仲裁详细过程： 当总线上同时有多个设备发送信息时，哪一个设备发送的信息优先呢？这就得看 11 位的识别码了，它不仅是设备的唯一识别码，而且还代表了优先级。比如两帧数据是同时发出的，那应该以哪一个为准呢？当总线上同时出现逻辑零和逻辑一的时候，总线会被视为逻辑 0。此后 ID 值较大的数据帧就不会再发送了，而 ID 值较小的数据帧会继续发送，从而实现非破坏性的仲裁。

2.3 错误检测与处理

CAN 具有多层错误检测机制： 1. 位错误：发送位与读取位不一致 2. 填充错误：违反位填充规则（连续 5 个相同位后必须插入相反位） 3. CRC 错误：循环冗余校验失败 4. 格式错误：固定格式位出现非法值 5. 应答错误：发送端未收到应答

每个 CAN 节点维护错误计数器，根据错误严重程度进入不同状态： - 主动错误：正常通信状态 - 被动错误：限制错误帧发送 - 总线关闭：停止发送和接收

3. 物理层：差分信号与抗干扰原理

CAN 收发器负责将单片机的逻辑信号转换为总线上的差分信号。

3.1 差分信号定义

CAN 总线使用两根信号线：CAN_H (High) 和 CAN_L (Low)。接收端通过比较两根线的电压差来判断逻辑状态。

• 显性电平 (Dominant, 逻辑 0)
  • CAN_H 拉高 (约 3.5V)，CAN_L 拉低 (约 1.5V)
  • 电压差约为 2V
  • 特性：总线上只要有一个节点发送"显性"，总线即呈现"显性"状态（线与机制）

• 隐性电平 (Recessive, 逻辑 1)
  • CAN_H 和 CAN_L 均维持在中间电压 (约 2.5V)
  • 电压差近乎 0V
  • 特性：只有所有节点都处于"隐性"时，总线才呈现"隐性"状态

3.2 位时序与同步

CAN 位时间由四个段组成： 1. 同步段 (Sync_Seg)：用于同步各节点时钟 2. 传播段 (Prop_Seg)：补偿物理延迟 3. 相位缓冲段 1 (Phase_Seg1)：补偿上升沿误差 4. 相位缓冲段 2 (Phase_Seg2)：补偿下降沿误差

再同步：当边沿出现在同步段之外时，通过延长或缩短相位缓冲段来调整采样点位置。

3.3 抗干扰机制

CAN 总线通过双绞线传输差分信号，能有效抵御电机启动等高噪环境下的共模干扰。

案例分析： 假设主控制器 (Master) 向电机 (Device) 发送逻辑"0"。

1. 正常发送：Master 输出 CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V，差值 ΔV = 2.0V

2. 干扰引入：外界产生 +1.0V 的共模干扰（如电压尖峰）。由于双绞线紧密缠绕，干扰同时作用于两线：

   • CAN_H 变为 4.5V (3.5 + 1.0)
   • CAN_L 变为 2.5V (1.5 + 1.0)

3. 差分解码：接收端仅计算差值：ΔV = 4.5V - 2.5V = 2.0V

4. 结论：尽管绝对电压发生偏移，但差值保持不变，数据仍被正确识别为"0"

4. STM32 CAN 外设

4.1 bxCAN (Basic Extended CAN)，目前使用较多

• 支持标准：CAN 2.0A 和 2.0B
• 数据长度：最多 8 字节
• ID 长度：11 位标准帧，29 位扩展帧

4.2 FDCAN (Flexible Data-rate CAN)

• 支持标准：CAN FD (Flexible Data-rate)
• 数据长度：最多 64 字节
• ID 长度：11 位标准帧，29 位扩展帧

4.3 硬件过滤器

STM32 CAN 外设提供硬件过滤器，可在不占用 CPU 的情况下过滤不需要的报文： - 列表模式：只接收 ID 完全匹配的报文 - 掩码模式：接收 ID 在掩码范围内匹配的报文 - FIFO 分配：不同过滤器可指向不同 FIFO

4.4 硬件架构与数据流向

bxCAN 外设的内部逻辑组成主要分为发送、接收和过滤三个部分：

如图所示：

• 发送端：CPU 将待发送的报文写入 发送邮箱（Mailbox 0/1/2）。bxCAN 拥有 3 个发送邮箱，发送优先级由硬件根据标识符（ID）或写入顺序决定。硬件会自动进行仲裁：当多个邮箱同时有报文待发送时，硬件会优先发送 ID 值最小的报文（即优先级最高的报文）。如果同时出现逻辑 0 和逻辑 1，总线会被视为逻辑 0，ID 值较大的报文会停止发送。

• 接收端：总线上的报文通过 GPIO 和控制器进入 接收过滤器。

• 过滤器（Filter）：bx CAN 共有 14 个过滤器（0-13）。过滤器决定哪些报文是本节点需要的。只有匹配成功的报文才会进入 接收 FIFO。

• 接收 FIFO：有两个独立的 FIFO（FIFO 0 和 FIFO 1），每个 FIFO 包含 3 个级联的邮箱。这种结构可以缓存最多 6 帧报文，防止 CPU 处理不及时导致丢包。

4.5 测试模式

在开发调试阶段，bxCAN 提供了三种特殊的测试模式：

如图所示：

• 静默模式 (Silent Mode)：只能接收，不能发送（TX 引脚内部断开，只能监测总线数据）。用于总线监听或波特率自适应。

• 环回模式 (Loopback Mode)：发送的报文不经过总线，直接反馈到接收端。用于在没有外部节点的情况下进行自测。

• 环回静默模式 (Silent Loopback)：结合了前两者的特点，完全不影响总线，且能实现内部自测，常用于"热自检"。

4.6 工作模式与状态转换

bx CAN 的状态机由三个主要状态组成，通过控制寄存器的位（如 INRQ 和 SLEEP）进行切换：

如图所示：

• 初始化模式 (Initialization)：配置波特率、过滤器等参数时必须进入此模式，此时禁止收发报文。

• 正常模式 (Normal)：配置完成后进入，此时外设可以与总线进行正常的数据交换。

• 睡眠模式 (Sleep)：低功耗状态，时钟停止。

• 唤醒机制 (AWUM)：

  - 自动唤醒 (AWUM=1)：一旦检测到总线活动，硬件自动清零 SLEEP 位并唤醒。

  - 手动唤醒 (AWUM=0)：需要软件干预清零 SLEEP 位。

5. 软件驱动架构 (can_list)

本战队使用的 can_list 驱动采用分层设计，旨在解决高频中断下的实时性问题及多设备 ID 的快速检索。

5.1 第一阶段：中断接收 (ISR)

此阶段为信号入口，位于 can_list.c 的中断服务函数中。

• 中断源区分：兼容 FDCAN (H7/G4 系列) 和 bx CAN (F1/F4 系列) 的中断接口。
• 处理模式：
  • RTOS 模式 (推荐)：为了保证系统实时性，ISR (Interrupt Service Routine) 不直接解析数据。它构建一个轻量级通知，通过 FreeRTOS 队列 (xQueueSendFromISR) 发送至后台任务，随即退出中断。
  • 非 RTOS 模式：在中断内直接调用处理函数，适用于简单应用，但可能阻塞其他高优先级任务。

5.2 第二阶段：数据分发 (核心逻辑)

此阶段由后台任务 (can_list_polling_task) 执行，负责将原始数据映射到具体设备。

• 读取寄存器：通过 HAL 库函数 (HAL_CAN_GetRxMessage) 从硬件 FIFO 读取解码后的报文。
• 哈希查表 (Hash Lookup)：
  • 利用 ID % table_length 计算哈希桶索引，快速定位链表头。
  • 此算法将遍历搜索的时间复杂度大幅降低，适合挂载大量电机的场景。

• 掩码匹配 (Masking)：
  • 遍历链表时，不仅对比 ID，还引入了 掩码 (Mask) 机制。
  • 应用场景：若掩码设为 0xFF，则 ID 0x12340201 和 0xAAAA0201 均匹配注册 ID 0x01。这允许驱动统一处理某一类设备的反馈（如提取低 8 位作为子 ID）。

5.3 第三阶段：业务回调 (Callback)

一旦匹配成功，驱动将执行最终的业务逻辑。

• 数据标准化：将不同硬件（bx CAN/FDCAN）的数据格式统一封装为 can_rx_header_t 结构体。
• 执行回调：
  • 调用用户注册的函数指针：node->callback(node->can_data, ...)。
  • 面向对象设计：can_data 指针通常指向具体的电机对象。用户在回调中直接操作该指针，无需通过全局变量查找电机，实现了代码的高内聚低耦合。

6. 总结

CAN 总线是机器人电控系统的核心通信技术，掌握其原理和实际应用对电控工程师至关重要。本模块提供的 can_list 驱动通过哈希表和掩码机制，实现了高效的消息接收，特别适合多电机、多传感器的机器人系统。结合 RTOS 使用可进一步提升系统实时性和稳定性。

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