一、物理層深度剖析

1.1 差分信號(hào)的本質(zhì)

CAN總線采用****雙線差分傳輸 ，核心原理圖解：

markdown

CAN_H ──────       /───────── 
                 /  
             ___/  
CAN_L ──────/     ─────────

• 顯性狀態(tài)（Dominant） ：CAN_H電壓 ≥ 2.5V，CAN_L ≤ 1.5V → 差值≥1V
• 隱性狀態(tài)（Recessive） ：CAN_H/CAN_L均為2.5V → 差值≈0V

物理層參數(shù)對(duì)照表 ：

1.2 波特率計(jì)算公式

markdown

位時(shí)間 = 同步段 + 傳播時(shí)間段 + 相位緩沖段1 + 相位緩沖段2 
總位數(shù) = 同步段(SJW) + 時(shí)間段1(TS1) + 時(shí)間段2(TS2)

STM32配置示例 （500Kbps）：

hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;    // 同步跳轉(zhuǎn)寬度=1TQ
hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;         // 時(shí)間段1=9TQ
hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_4TQ;         // 時(shí)間段2=4TQ
// 總位時(shí)間=1+9+4=14TQ → 時(shí)鐘頻率=8MHz → TQ=0.125μs → 波特率=1/(14 * 0.125μs)=500Kbps

1.3 終端電阻調(diào)試技巧

• 錯(cuò)誤現(xiàn)象 ：總線波形畸變、通信不穩(wěn)定
• 檢測方法:
  1. 斷電測量總線兩端電阻（應(yīng)為120Ω±5%）
  2. 上電后用示波器觀察終端反射波形
• 解決方案：

# 終端電阻計(jì)算公式（單位Ω）
def calc_termination_resistance(length):
    # 每米電纜約60Ω特性阻抗
    return 120 - (length * 60) / 1000  
# 示例：總線長度40m → 120 - 24 = 96Ω → 需補(bǔ)48Ω電阻

二、數(shù)據(jù)鏈路層全解析（幀結(jié)構(gòu)+仲裁機(jī)制）

2.1 CAN幀類型對(duì)比表

2.2 經(jīng)典仲裁過程演示

場景 ：三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)

markdown

節(jié)點(diǎn)A: ID=0x100 (0b000100000000)
節(jié)點(diǎn)B: ID=0x200 (0b001000000000)
節(jié)點(diǎn)C: ID=0x080 (0b000010000000)

仲裁過程 ：

1. 第一位：全顯性 → 繼續(xù)比較
2. **第二位：A=0, B=0, C=1 → C失去仲裁權(quán)**
3. 后續(xù)位比較后，A勝出總線使用權(quán)

STM32仲裁配置要點(diǎn) ：

// 使能自動(dòng)重傳功能（默認(rèn)開啟）
hcan1.Init.AutoRetransmission = ENABLE;
// 設(shè)置重試次數(shù)（最大16次）
hcan1.Init.RetryCount = 3;

2.3 錯(cuò)誤檢測機(jī)制詳解

五級(jí)錯(cuò)誤防護(hù)體系 ：

1. CRC校驗(yàn) ：15位循環(huán)冗余校驗(yàn)
2. 位填充 ：每5個(gè)相同電平插入相反電平
3. ACK校驗(yàn) ：接收節(jié)點(diǎn)必須發(fā)送顯性確認(rèn)
4. 幀格式校驗(yàn) ：7個(gè)保留位必須為隱性
5. 總線監(jiān)控 ：持續(xù)檢測總線邏輯電平

錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器動(dòng)態(tài)調(diào)整算法 ：

markdown

當(dāng)檢測到錯(cuò)誤時(shí)：
TEC += 8（發(fā)送錯(cuò)誤）或 REC += 1（接收錯(cuò)誤）
當(dāng)TEC > 127時(shí)：進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)

2.4 位時(shí)間同步技術(shù)

同步機(jī)制 ：

• 硬同步 ：在幀起始位強(qiáng)制對(duì)齊
• 重新同步 ：通過調(diào)整時(shí)間段2補(bǔ)償時(shí)鐘偏差

STM32時(shí)間參數(shù)配置示例 ：

// 配置同步跳轉(zhuǎn)寬度為1個(gè)時(shí)間量子
hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
?
// 時(shí)間段分配（假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘16MHz）
CAN_BtrTypeDef sCanBtr;
sCanBtr.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
sCanBtr.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;  // 傳播延遲補(bǔ)償
sCanBtr.TimeSeg2 = CAN_BS2_4TQ;  // 相位緩沖

三、數(shù)據(jù)鏈路層核心機(jī)制

3.1 CAN協(xié)議棧全景圖

應(yīng)用層（CANopen/J1939）
   ↓
網(wǎng)絡(luò)層（路由/錯(cuò)誤處理）
   ↓
數(shù)據(jù)鏈路層（幀結(jié)構(gòu)/仲裁）
   ↓
物理層（差分信號(hào)/終端電阻）

3.2 幀結(jié)構(gòu)深度拆解

標(biāo)準(zhǔn)幀格式（11位ID） ：

| 仲裁場(11b) | 控制場(6b) | 數(shù)據(jù)場(0-8B) | CRC場(15b) | ACK場(1b) | 幀結(jié)束(7b) |

• 仲裁場 ：包含節(jié)點(diǎn)ID和幀類型標(biāo)識(shí)
• 控制場 ：DLC（數(shù)據(jù)長度碼） + IDE（擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符）
• CRC場 ：15位循環(huán)冗余校驗(yàn)（生成多項(xiàng)式：x1?+x1?+...+1）

STM32 CRC配置示例 ：

// CAN1 CRC初始化
hcan1.Instance- >CRCD = 0xFFFF;    // 初始值
hcan1.Instance- >CRCSA = 0x0000;   // 起始地址

3.3 仲裁機(jī)制詳解

29位擴(kuò)展幀仲裁過程 ：

優(yōu)先級(jí)位 → 源地址 → 參數(shù)組號(hào)(PGN)

• 優(yōu)先級(jí)計(jì)算 ：ID31-ID26位決定（數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高）
• 源地址沖突檢測 ：同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址必須唯一

仲裁時(shí)序仿真 ：

def can_arbitration(id_list):
    sorted_ids = sorted(id_list, key=lambda x: bin(x).count('1'))
    return sorted_ids[0]
?
# 示例：三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送
nodes = [0x18FEF100, 0x18FEF200, 0x18FEF300]
winner = can_arbitration(nodes)  # 輸出0x18FEF100

四、CANopen協(xié)議深度實(shí)戰(zhàn)

4.1 對(duì)象字典（Object Dictionary）

OD結(jié)構(gòu)示例 ：

索引        類型        描述
0x2000     ARRAY       電機(jī)控制參數(shù)
0x2000[0]  UINT16      目標(biāo)轉(zhuǎn)速(rpm)
0x2000[1]  FLOAT       加速度(m/s2)
0x2001     RECORD      故障代碼
0x2001[0]  BITFIELD    故障標(biāo)志位

STM32 SDO傳輸實(shí)現(xiàn) ：

// SDO客戶端上傳數(shù)據(jù)
void SDO_Upload(uint16_t index, uint8_t subindex) {
    CO_SDO_Req req;
    CO_SDO_ReqInit(&req);
    req.Cmd = CO_SDO_CMD_UPLOAD_REQ;
    req.Index = index;
    req.SubIndex = subindex;
    
    if (CO_SDO_Transmit(&req) == CO_SDO_OK) {
        Process_SDO_Response(req.Data);
    }
}

4.2 NMT網(wǎng)絡(luò)管理

狀態(tài)遷移圖 ：

INIT → PRE-OPERATIONAL → OPERATIONAL → STOPPED
   ↑        ↑                    ↓
   └──RESET←───────────────────┘

心跳報(bào)文配置 ：

// 心跳生產(chǎn)者配置
CO_NMT_HeartbeatConfig(0x01, 0x00, 500);  // 節(jié)點(diǎn)ID=1，周期500ms

五、J1939協(xié)議核心要點(diǎn)

5.1 參數(shù)組號(hào)(PGN)編碼規(guī)則

PGN = PF(8b) < < 8 | PS(8b)
PF: 參數(shù)組功能(0-255)
PS: 參數(shù)組子功能(0-255)

典型PGN解析 ：

5.2 多包數(shù)據(jù)傳輸

傳輸流程 ：

請(qǐng)求 → 確認(rèn) → 數(shù)據(jù)包1 → 數(shù)據(jù)包2 → ... → 結(jié)束符

STM32多包發(fā)送實(shí)現(xiàn) ：

// 多包數(shù)據(jù)發(fā)送（最大12字節(jié)/包）
void CAN_Send_MultiPacket(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint8_t packets[6][8] = {0};
    uint8_t packet_count = (length + 7) / 8;
    
    for (int i=0; i< packet_count; i++) {
        packets[i][0] = 0x00;  // 流控制字段
        memcpy(&packets[i][1], &data[i*8], 8);
        CAN_TransmitPacket(packets[i]);
    }
}

六、STM32HAL庫實(shí)戰(zhàn)進(jìn)階

6.1 完整初始化流程

// 1. GPIO配置（CubeMX生成）
void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  
  // CAN_RX/TX引腳配置
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF9_CAN1;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
?
// 2. CAN初始化（含過濾器配置）
void MX_CAN1_Init(void)
{
  CAN_HandleTypeDef hcan1;
  
  hcan1.Instance = CAN1;
  hcan1.Init.Prescaler = 5;         // 500Kbps
  hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;
  hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_4TQ;
  hcan1.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
  
  if (HAL_CAN_Init(&hcan1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
  
  // 濾波器配置（接收ID=0x100-0x1FF）
  CAN_FilterTypeDef sFilterConfig = {0};
  sFilterConfig.FilterBank = 0;
  sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
  sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
  sFilterConfig.FilterIdHigh = 0x100 < < 13;
  sFilterConfig.FilterIdLow = 0x1FF < < 13 | 0xFFFF;
  HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &sFilterConfig);
}

6.2 數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)戰(zhàn)

// 數(shù)據(jù)發(fā)送（PDO模擬）
void CAN_Send_PDO(uint8_t node_id, uint16_t position) {
  CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader = {0};
  uint8_t TxData[8] = {0};
  
  TxHeader.StdId = 0x200 + node_id;  // PDO ID
  TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;
  TxHeader.DLC = 2;
  
  TxData[0] = (position > > 8) & 0xFF;
  TxData[1] = position & 0xFF;
  
  HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);
}
?
// 接收回調(diào)（帶錯(cuò)誤檢測）
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) {
  CAN_RxHeaderTypeDef RxHeader;
  uint8_t RxData[8] = {0};
  
  if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &RxHeader, RxData) == HAL_OK) {
    if (RxHeader.DLC != 2) {
      // 數(shù)據(jù)長度異常處理
      return;
    }
    uint16_t value = (RxData[0] < < 8) | RxData[1];
    Process_Sensor_Data(value);
  }
}

七、工業(yè)級(jí)應(yīng)用案例解析

7.1 電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)

• BMS電池管理 ：通過CAN總線監(jiān)控單體電壓/溫度
• 電機(jī)控制器 ：接收扭矩指令并反饋轉(zhuǎn)速
• OBC車載充電機(jī) ：與BMS通信實(shí)現(xiàn)充電保護(hù)

通信拓?fù)?/strong> ：

BMS → CAN → MCU → CAN → 電機(jī)控制器
           ↑↓
         充電樁

7.2 智能倉儲(chǔ)機(jī)器人

• 多機(jī)協(xié)同 ：50+臺(tái)AGV通過CAN總線同步路徑規(guī)劃
• 實(shí)時(shí)監(jiān)控 ：電量/故障狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)
• 抗干擾方案：
  • 雙絞線屏蔽層接地
  • 隔離收發(fā)器（如ADuM1201）
  • 冗余幀重傳機(jī)制

八、調(diào)試與優(yōu)化技巧

1. 示波器觀察 ：
   • 檢查CAN_H/CAN_L差分波形（正常應(yīng)為方波）
   • 波特率驗(yàn)證（500Kbps對(duì)應(yīng)周期2μs）
2. 錯(cuò)誤分析 ：
   • 錯(cuò)誤幀計(jì)數(shù)：HAL_CAN_GetError(&hcan1)
   • 總線負(fù)載率：CAN總線分析儀檢測
3. 性能優(yōu)化 ：
   • 使用CAN FD（Flexible Data Rate）提升帶寬
   • 優(yōu)化過濾器配置減少CPU開銷
   • 采用環(huán)形緩沖區(qū)處理高頻率數(shù)據(jù)

九、擴(kuò)展學(xué)習(xí)資源

• 經(jīng)典CAN vs CAN FD ：帶寬從1Mbps提升至5Mbps
• AUTOSAR架構(gòu) ：標(biāo)準(zhǔn)化汽車軟件架構(gòu)
• TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) ：工業(yè)4.0通信新標(biāo)準(zhǔn)
  更多嵌入式知識(shí)，關(guān)注“逸云客嵌入式”公眾號(hào)！

審核編輯 黃宇