摘要：本文是一篇面向嵌入式初学者的 CAN 总线实操教程，从汽车电子场景出发，体系化梳理了 CAN 的核心知识与 STM32 开发实战。全文共四章：第 1 章介绍 CAN 的起源与标准化；第 2 章详解物理层特性（串行/异步/半双工）、差分信号原理及速率分级；第 3 章深入解析数据帧、遥控帧等 5 种帧类型及其结构；第 4 章聚焦 STM32 bxCAN 控制器，涵盖内部框图、位时序、波特率计算，并给出 HAL 库完整收发代码示例与接线验证。文章以“理论为骨架、代码为血肉、截图验证效果”的思路编排，旨在帮助读者动手搭建 CAN 通信链路。
1. CAN是什么
CAN，全称 Controller Area Network，是一种被 ISO 标准化的串行通信协议。
它最初是为汽车而生。一辆车里塞满了各种电子控制系统，彼此都要通信，早期只能"一个系统拉一组线"，结果线束越堆越多、又重又乱。为了解决"用更少的线，让多个节点高速互通"这个矛盾，博世（Bosch）于 1986 年提出了 CAN，后经 ISO 11898 / ISO 11519 标准化，成为汽车网络的事实标准。
凭借高可靠性，CAN 早已走出汽车，广泛用于工业自动化、医疗设备、船舶等领域。
车载网络的构想示意图。CAN 等通信协议的开发，使多种 LAN 通过网关进行数据交换得以实现。
CAN 的应用示例
2. CAN 总线物理层：差分信号、总线组成与速率
2.1 通信基础特性：串行、异步、半双工
串行：一位一位传输，节省线束，适合车载环境
异步：无独立时钟线，靠位时序同步（与 SPI 不同）
半双工：同一时刻只能发或收，不能同时双向
与 USB / HDMI / 以太网 / RS-485 的简单对比（用一句话表格区分）
特性
LIN（UART）
USB
HDMI
以太网（100BASE-T1）
RS-485
传输方式
串行
串行（差分）
串行（差分，多 Lane）
串行（差分）
串行（差分）
同步方式
异步（无时钟线）
同步（内嵌时钟）
同步（TMDS 编码）
同步（内嵌时钟）
异步 / 同步均可
双工模式
半双工（单线）
全双工
全双工
全双工
半双工（2 线）/ 全双工（4 线）
典型速率
1–20 kbps
480 Mbps – 40 Gbps
4.95 – 48 Gbps
100 Mbps – 1 Gbps
最高 10 Mbps
拓扑
单主多从（≤16 节点）
星型（Host-Device）
点对点
星型 / 总线
总线（≤32 / 256 节点）
一句话定位
车内低速传感器/执行器控制
通用外设高速互联
音视频高带宽传输
车载/工业高速网络骨干
工业长距离多点通信
2.2 总线拓扑与组成：一条总线上挂多个节点
CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
CAN连接图
CAN收发器
2.3 差分信号：显性电平 vs 隐性电平
ISO11898、ISO11519-2 的物理层特征
这里介绍的是IOS11898的电特性
性质
逻辑
CAN_H
CAN_L
电压差
隐形
逻辑1
2.5V
2.5V
0V
显性
逻辑0
3.5V
1.5V
2V
为什么差分信号抗干扰强？（共模干扰同时抬升/拉低两根线，差值不变）
仲裁依赖显性覆盖隐性（逻辑 0 优先级高于逻辑 1）
2.4 速率分级：低速 / 高速 / CAN FD
通信速度和最大总线长度
类型
速率
传输距离
应用场景
低速 CAN
10–125 kbps
可达 1000 m
车身控制、门窗等
高速 CAN
125 kbps–1 Mbps
< 40 m
动力域、底盘、刹车
CAN FD
最高 8 Mbps
< 40 m（典型）
诊断、刷写、大带宽场景
3. CAN 帧的种类与用途
CAN 总线上的信息以“帧”为单位进行传输。根据功能不同，CAN 协议定义了 5 种帧类型。了解它们，是看懂总线活动和编写代码的基础。
序号
名称
帧用途
1
数据帧
用于发送单元向接收单元传送数据的帧。
2
遥控帧
用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧。
3
错误帧
用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。（硬件自动完成）
4
过载帧
当一个节点正忙于处理接收的信息，可以通知其它节点暂缓发送新报文。（硬件自动完成）
5
帧间隔
用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。（硬件自动完成）
对于开发者而言，数据帧和遥控帧是需要主动操作和理解的，而错误帧、过载帧和帧间隔通常由硬件自动处理。下面我们重点看前两种。
3.1 数据帧：承载实际数据的“货车”
数据帧是 CAN 总线上最常用的帧，用于发送单元把数据交给接收单元。一帧由 7 个段按固定顺序拼接而成，可以记成七个动作：帧起始、仲裁、控制、数据、CRC、应答、帧结束。
标准帧与扩展帧的段顺序略有不同，为避免混淆，下面先完整讲标准帧，再完整讲扩展帧，最后用一张表对比二者差异。
数据帧的构成
3.1.1、标准帧（11 位 ID）
SOF(1) → 仲裁段[ ID(11) + RTR(1) ] → 控制段[ IDE(1) + r0(1) + DLC(4) ] → 数据段[ 0~64 位 ] → CRC段[ CRC(15) + 界定符(1) ] → ACK段[ ACK(1) + 界定符(1) ] → EOF(7)
字段
所属段
位宽
取值
作用
SOF
帧起始
1
恒为 0
总线由空闲转入活动，所有节点在此对齐起点
ID
仲裁
11
由代码赋值
标识报文；数值越小，优先级越高
RTR
仲裁
1
数据帧=0，遥控帧=1
区分数据帧与遥控帧，并参与仲裁
IDE
控制
1
恒为 0(标准格式下)
帧格式标识；标准帧此位为 0
空闲位r0
控制
1
恒为 0
保留位
数据长度DLC
控制
4
由代码赋值
数据段的字节数，经典 CAN 取 0~8
数据段
数据
0~64
由 DLC 决定
真正传输的字节；DLC=0 时无此段
CRC 段
CRC
15+1
校验值由硬件算；界定符=1
校验前面所有位（含位填充位）
ACK 段
ACK
1+1
发送=1，接收拉 0；界定符=1
接收方拉低，表示已正确收到
EOF
帧结束
7
全为 1
连续 7 个隐性位，标志本帧结束
仲裁：显性 0 压隐性 1 → ID 越小越优先；ID 撞车时，数据帧（RTR=0）压遥控帧（RTR=1）。
应答：发送方在 ACK 位松手发 1，任一正确收到的节点拉成 0；发送方回读到 0 = 至少一人收到。
长度：经典 CAN 中 DLC = 字节数（0~8；0 = 只发通知、不带数据）。CAN FD 的 DLC 9~15 跳变，不再线性对应。
提示：上表不含位填充——连续 5 个相同电平，硬件自动插 1 个反极性位（也计入 CRC）。故标准帧满载 108 位、扩展帧 128 位 只是"没算填充"的长度，真上总线还会更长。
3.1.2、扩展帧（11+18=29 位 ID）
SOF(1) → 仲裁段[ ID(11) + SRR(1) + IDE(1) + EID(18) + RTR(1) ] → 控制段[ r1(1) + r0(1) + DLC(4) ] → 数据段[ 0~64 位 ] → CRC段[ CRC(15) + 界定符(1) ] → ACK段[ ACK(1) + 界定符(1) ] → EOF(7)
字段
所属段
位宽
取值
作用
SOF
帧起始
1
恒为 0
同标准帧，对齐起点
ID
仲裁
11
由代码赋值
标识报文的高 11 位（Base ID）
SRR
仲裁
1
恒为 1
替代位，扩展帧占位用，标准帧无
IDE
仲裁
1
恒为 1（扩展格式下）
帧格式标识；扩展帧此位为 1，且位于仲裁段
EID
仲裁
18
由代码赋值
扩展 ID 的低 18 位，标准帧无
RTR
仲裁
1
数据帧=0，遥控帧=1
同标准帧
r1
控制
1
恒为 0
保留位，标准帧无
r0
控制
1
恒为 0
保留位
DLC
控制
4
由代码赋值
同标准帧
数据段
数据
0~64
由 DLC 决定
同标准帧
CRC 段
CRC
15+1
同标准帧
同标准帧
ACK 段
ACK
1+1
同标准帧
同标准帧
EOF
帧结束
7
全为 1
同标准帧
提示：除上表所列的结构差异外，扩展帧的仲裁、应答、校验、位填充等机制与标准帧完全相同，故不再重复。
标准帧与扩展帧的区别
对比维度
标准帧
扩展帧
ID 总位数
11
29（11 + 18）
仲裁段组成
ID + RTR
ID + SRR + IDE+ EID + RTR
仲裁段位宽
12
32
IDE 所在段
控制段
仲裁段
是否含 SRR / EID / r1
无
有
控制段组成
IDE + r0 + DLC
r1 + r0 + DLC
控制段位宽
6
6
固定开销（不含数据与填充）
44 位
64 位
一句话记忆：扩展帧把 IDE 从控制段挪进了仲裁段，并多出 SRR、EID、r1 三个位，使仲裁段由 12 位增至 32 位；而控制段二者同为 6 位，其余各段顺序完全一致。
3.2 遥控帧：主动索要数据的“订单”
遥控帧不携带数据，它的作用是向总线上某个节点“下单”，请求它发送具有特定 ID 的数据帧。
遥控帧的构成
差别项
数据帧
遥控帧
RTR
0
1
数据段
有，0~8 字节
无
DLC 的含义
本帧实际携带的字节数
希望对方回送的字节数
遥控帧与数据帧结构非常相似，关键区别在于：
RTR 位：在仲裁段，遥控帧的 RTR 位为隐性1（数据帧为显性0）。
数据段：遥控帧的 DLC 表示期望收到的数据长度，但其数据段为空。
工作流程：
节点 A 需要节点 B 的数据（ID=0x100），于是 A 向总线发送一个 ID=0x100、 RTR=1 （隐性）的遥控帧。
节点 B 监听到这个对自己 ID 的请求，便会将对应的数据（ID=0x100）以数据帧形式发送出来。
节点 A 以及其他监听该 ID 的节点都能收到这份数据。
应用场景：常用于初始化和诊断，例如，诊断仪（Tester）向 ECU 请求特定故障码或数据。
3.3 其他帧类型（硬件自动处理，了解即可）
这三种帧不用你写代码，硬件自己收发，知道"何时出现、干嘛的"就够：
错误帧：谁发现错（位错 / 格式错 / CRC 错）谁广播，发送方随后自动重发。
过载帧：接收方忙不过来时发，让发送方缓一缓。
帧间隔：两帧之间的"休息符"，总线回隐性，给节点喘口气。
4. CAN 控制器
到这里我们将会进入芯片内部查看结构框图，然后进行收发代码的编写
4.1 内部框图：邮箱、FIFO 与滤波器
两条路径一对比就能看出 bxCAN 的设计哲学：CPU 永远只在邮箱和 FIFO 这两头插手，中间的位级收发和门卫过滤全是硬件。这也是你以后写收发代码时，脑子里该有的画面。
CAN框图
型号提醒：只有 互联型产品（F105 / F107） 才有双 CAN；普通 F103 只有单 CAN。若你用的是 F103，图中下半截 CAN2（从）整块以及 CAN2SB 相关说明均不存在，其中我使用的F103系列滤波器只有14个。
关键数字速记
资源
数量
说明
发送邮箱
3 个 / 每 CAN
可同时挂 3 条待发报文
接收 FIFO
2 组 / 每 CAN
FIFO0、FIFO1
每个 FIFO 深度
3 帧
CPU 晚取也不立刻丢
接收滤波器
28 个（0~27）
双 CAN 共享，分界由 CAN2SB 配；单 CAN 全归 CAN1（14个）
邮箱 / FIFO 存储
512 字节 SRAM
挂在 CAN1（主）侧
4.2 位时序：一个 bit 里的四个段
CAN 异步、无时钟线，各节点拿自己的时钟数节拍。但时钟有偏差、信号有延迟——怎么让大家在同一瞬间读电平、读出的 bit 还一致？办法是把一个 bit 切成 4 段，靠段对齐"采样点"。
一个 bit 由若干 Tq（Time Quantum，时间份额，最小时间单位） 拼成，切成 4 段，每段占几个 Tq 可配：
SS 同步段：bit 开头，对齐起点（固定 1Tq）。
PTS 传播段：吸收信号在导线上的传播延迟。
PBS1 / PBS2 相位缓冲段：吸收各节点时钟偏差，并用来挪采样点。
下图是同一 bit = 10Tq 的三种分法，PBS1、PBS2 配比一变，红箭头（采样点）就前后挪：
1 个位的构成
可见想让采样点靠后，就调大 PBS1、调小 PBS2；工程上常取一个 bit 的 70%~80%，读电平最稳。
各段的 Tq 取值范围及其作用
与代码的对应：HAL / CubeMX 把四段合并成三个参数——SS 固定为 1 不让配，PTS + PBS1 合成 BS1，PBS2 即 BS2。所以配置界面只看到 BS1 / BS2，对不上"四段"别慌，是合并关系。
4.3 波特率计算：从时钟树到 500 kbps
位时序参数最终要落到 CubeMX 的 Bit Timings 配置里，而波特率就是这些参数算出来的"结果"。
1、查时钟来源。 看时钟树可知 CAN 挂在 APB1 上，F103 的 APB1 = 36 MHz。
2、把配置项对应回位时序的段。 上图中 Prescaler = 4、BS1 = 9、BS2 = 8、SJW = 1，对应关系如下（注意 BS1 已含 PTS + PBS1）：
3、套公式算波特率。 一个 bit 的 Tq 总数 = 1(SS) + BS1 + BS2 = 1 + 9 + 8 = 18，于是：
波特率 = APB1 频率 / 分频系数 / (1 + BS1 + BS2)
= 36 MHz / 4 / 18
= 0.5 MHz = 500 kbps
换个角度从 Tq 反推，结果一样：分频后 9 MHz → 1 Tq ≈ 0.111 μs → 18 Tq = 2 μs → 1 / 2 μs = 500 kbps，与界面的 Baud Rate = 500000 吻合。
进阶：采样点 = (1 + BS1) / (1 + BS1 + BS2) = 10 / 18 ≈ 55.6%，偏前，工程常取 70%~80%。短距离这组参数已够稳；要上长总线，保持波特率不变，调小 Prescaler、加大 BS1 把采样点后移即可。
4.4、代码编写
4.4.1配置过滤器，启动 CAN
//过滤器函数原型：
HAL_CsAN_ConfigFilter(CAN_HandleTypeDef *hcan, //句柄
const CAN_FilterTypeDef *sFilterConfig); //结构体
//启动CAN原型：
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Start(CAN_HandleTypeDef *hcan);
//应用实例：
CAN_HandleTypeDef hcan; // CAN外设句柄，用于管理CAN的所有配置和状态
/* CAN过滤器配置：决定哪些CAN报文可以被接收 */
CAN_FilterTypeDef Can_FilterConfig;
Can_FilterConfig.FilterBank = 0; // 使用过滤器组 0（共14/28个，取决于芯片）
Can_FilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // 过滤器模式：标识符掩码模式
Can_FilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_16BIT; // 过滤器位宽：16位模式
Can_FilterConfig.FilterIdHigh = 0x0; // 待匹配的ID高16位（全0表示接收所有ID）
Can_FilterConfig.FilterIdLow = 0x0; // 待匹配的ID低16位
Can_FilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0; // 掩码高16位（全0表示不过滤，接收所有报文）
Can_FilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0; // 掩码低16位
Can_FilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0; // 匹配的报文存入FIFO0
Can_FilterConfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE; // 使能该过滤器
Can_FilterConfig.SlaveStartFilterBank = 14; // 从CAN的起始过滤器组编号（仅双CAN模式有效）
/* 应用过滤器配置，失败则进入错误处理 */
if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &Can_FilterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_CAN_Start(&hcan); //启动CAN
4.4.2 接收模式和发送模式
//接收函数原型：从FIFO读取一条CAN报文
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(
CAN_HandleTypeDef *hcan, // CAN外设句柄
uint32_t RxFifo, // 读取哪个FIFO
CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, // 输出>接收报文头（ID、DLC、RTR、IDE、时间戳）
uint8_t aData[]); // 输出>接收到的8字节数据缓冲区
//发送函数原型：将报文放入发送邮箱
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_AddTxMessage(
CAN_HandleTypeDef *hcan, // CAN外设句柄
const CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader, // 输入>发送报文头（需填充StdId、IDE、RTR、DLC）
const uint8_t aData[], // 输入>要发送的8字节数据
uint32_t *pTxMailbox); // 输出>返回使用的发送邮箱编号（0/1/2）
//应用实例：
uint8_t Tx_Data[] = {7, 8, 5, 24, 11, 2, 13, 9}; // CAN发送数据缓冲区（测试用，可自定义内容）
uint8_t Rx_Data[8]; // CAN接收数据缓冲区（8字节，CAN一帧最多8字节）
uint32_t Tx_Mail = CAN_TX_MAILBOX0; // 发送邮箱编号（0/1/2，用于查询发送状态）
#if 0 // 1: ZET6使用CAN接收模式 0: C8T6使用CAN发送模式
/* CAN接收报文头结构体，包含ID、DLC、RTR等信息 */
CAN_RxHeaderTypeDef RxMessage;
/* 从FIFO0读取一条CAN报文 */
HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_FILTER_FIFO0, &RxMessage, Rx_Data);
/* 打印接收到的报文信息：标准ID、数据长度、8字节数据 */
printf("recv id 0x%x:\r\n", RxMessage.StdId);
printf("recv length %u:\r\n", RxMessage.DLC);
printf("recv:");
for(int i = 0; i < 8; i++)
printf(" %u ", Rx_Data[i]);
printf("\r\n");
/* 清空接收缓冲区，验证memset是否生效 */
memset(Rx_Data, 0, 8);
printf("recv memset:");
for(int i = 0; i < 8; i++)
printf(" %u ", Rx_Data[i]);
printf("\r\n");
#else //可以看看3.1关于数据帧的介绍
/* CAN发送报文头结构体 */
CAN_TxHeaderTypeDef TxMessage;
TxMessage.StdId = 0x12; // 标准帧ID: 0x12
TxMessage.IDE = CAN_ID_STD; // 标准帧格式（非扩展帧）
TxMessage.DLC = 8; // 数据长度: 8字节
TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA; // 数据帧（非远程帧）
/* 将报文放入发送邮箱，触发CAN发送 */
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &TxMessage, Tx_Data, &Tx_Mail);
printf("Send ok!\r\n");
#endif
4.4.3 接线框图与效果演示
1、接线框图
2、效果演示
ZET6 打印出的 7 8 5 24 … 与 C8T6 的 Tx_Data 完全一致，ID = 0x12、长度 = 8 也对得上；memset 后全 0，说明一帧 8 字节完整收妥、缓冲区也清干净——链路通了。
资料参考：
CAN通信知识梳理及在Stm32上的应用（HAL库）
CAN总线入门书.pdf
STM32中文参考手册_V10.pdf（P423页）