20251115 - 从零到1详细剖析STM32的CAN架构【以STM32F407为例】

从零到1详细剖析STM32的CAN架构【以STM32F407为例】

1 概览：bxCAN 在 STM32F407 中的位置与作用

• bxCAN（Basic extended CAN） 是 STM32F4 系列内部实现的 CAN 控制器硬件 IP，用来在物理 CAN 差分总线上收/发 CAN 帧（支持 CAN2.0A/2.0B）。bxCAN 负责仲裁、位填充、CRC、ACK、FIFO/邮箱管理等，极大减轻 CPU 负担。(STMicroelectronics)
• STM32F407 通常有 CAN1 和 CAN2 两个控制器（注意：CAN1是主设备，CAN2无法直接访问存储区域，因此使用CAN2的时候必须使能CAN1外设的时钟）。在 F4 系列中，滤波器-bank 在 CAN1/CAN2 之间分配（例如 28 个 bank 分割）。(community.st.com)

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2 物理层

• STM32 只实现了 控制器（bxCAN），不包含物理收发器（transceiver）。因此必须外接常见的收发器芯片（例如 TJA1050、MCP2551 等），且需配用差分信号线（CAN_H,CAN_L）和两端的 120Ω 终端电阻。
• MCU 的 CAN 引脚需配置为复用 AF（Alternate Function），并保持合适的 IO 电气设置（推挽/开漏、上拉/下拉 ）。

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3 外设时钟与寄存器映射总结

• 启用外设：在 RCC_APB1ENR 中使能 CAN1EN（与 CAN2 相关的使能也在 RCC），确保 APB1 时钟给 CAN 外设。
• 重要寄存器组：
  • 控制/状态/模式：CAN_MCR、CAN_MSR
  • 传输状态：CAN_TSR
  • 收发邮箱寄存器：CAN_TI0R/TDTR/TDLR/TDHR（Tx mailbox0，1，2 对应）与 CAN_RI0R/RDTR/RDLR/RDHR（Rx）
  • 接收 FIFO 状态：CAN_RF0R、CAN_RF1R
  • 中断/错误：CAN_IER、CAN_ESR、CAN_ERR（ESR 包含 TEC/REC/LEC）
  • 位时序：CAN_BTR（BRP、SJW、TS1、TS2）
  • 过滤器控制：CAN_FMR、CAN_FM1R、CAN_FS1R、CAN_FFA1R、CAN_FA1R、滤波器寄存器数组（CAN_FilterRegister[x]）。

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4 模式与关键位

• 工作模式（通过 CAN_MCR / CAN_MSR 控制）：
  • 初始化模式（Initialization Mode，init）—— 在配置寄存器（位时序、滤波器）前必须进入 init。设 INRQ 并等待 INAK 被置位。(STMicroelectronics)
  • 正常模式（Normal）—— 退出 init 后开始正常通信。
  • 回环（Loopback）/静听（Silent/Listen-only）模式用于测试。
• CAN_MCR 中常用控制位：
  • INRQ（请求进入初始化）、SLEEP、AWUM（自动唤醒）、ABOM（自动总线恢复/自动bus-off管理）、NART（禁止自动重发）、RFLM（Rx FIFO 锁模式）、TXFP（Tx FIFO 优先级或 Mailbox 优先）等。

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5 位时序（Bit Timing）

• CAN_BTR 决定比特率与采样点：包含 BRP（波特率预分频器）、SJW（同步跳宽 SJW）、BS1（TimeSeg1，PhaseSeg1）和 BS2（TimeSeg2，PhaseSeg2）。正确设置 BRP/BS1/BS2/SJW 对保证总线稳定和避免位错误至关重要。

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6 发送（Tx）结构与流程（寄存器级）

• STM32 bxCAN 提供 3 个 Tx Mailboxes（Tx0,Tx1,Tx2），每个 mailbox 有 4 个寄存器：TIR（Identifier）、TDTR（DLC+timestamp）、TDLR（data low）、TDHR（data high）。
• 发送步骤（寄存器级伪流程）：
  1. 在可用邮箱上检查 CAN_TSR 的 TME（Tx mailbox empty）位或 CAN_TI[x]R.TXREQ。选择空的 mailbox。
  2. 配置 TIR：设置 IDE、RTR、并写入 11-bit 或 29-bit ID 到相应位域。
  3. 配置 TDTR：写入 DLC（0~8），可以包含时间戳相关位（若使用）。
  4. 写数据到 TDLR 和 TDHR（每寄存器 4 字节）。
  5. 发起发送：在 TIR 写入 TXRQ（Transmit Request）位。硬件将开始仲裁并在总线上发送。
  6. 发送完成/状态：查询 CAN_TSR 或中断（CAN_IER）查看 RQCPx / TXOK 等位，清除相应标志并释放 mailbox（硬件自动清 TXRQ 或需软件清某些位）。

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7 接收（Rx）结构与流程（寄存器级）

• 接收使用 FIFO0 与 FIFO1，滤波器决定把哪条消息送到哪个 FIFO。每个 FIFO 的状态由 CAN_RF0R / CAN_RF1R 管理（包含 FMP0/1 = FIFO message pending）。
• 接收步骤（寄存器级伪流程）：
  1. 检查 CAN_RF0R.FMP0（或 FIFO1）是否 >0（有消息）。
  2. 读取 RIR（ID、IDE、RTR）、RDTR（DLC、时间戳）、RDLR、RDHR（数据）。
  3. 处理完后，释放该 FIFO 消息：在 CAN_RF0R 写入 RFOM0（release FIFO output mailbox）位（或相应位），FIFO 指针前移。
  4. 可通过中断（FMPIE0/FMPIE1）在新消息到达时触发 CPU。

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8 过滤器（Filter）机制（STM 的特色）

• STM32 的 bxCAN 提供灵活的 硬件滤波器 bank（例如 28 个 bank，在 CAN1/CAN2 之间分配）。每个滤波器可以配置为 16-bit list / 16-bit mask / 32-bit list / 32-bit mask（scale），并可选择将匹配消息放入 FIFO0 或 FIFO1。配置前需将 Filter Master 置入初始化（在 CAN_FMR 设置 FINIT）。

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9 错误处理与状态

• CAN_ESR 提供错误统计与类型：TEC（Transmit Error Counter）、REC（Receive Error Counter）、LEC（Last Error Code）等。依计数器，节点可处于 Error Active、Error Passive 或 Bus-Off。当发生严重错误，硬件可自动发送 Error Flag（错误帧），并进入错误恢复（若启用 ABOM 等）。(STMicroelectronics)

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10 中断与事件

• CAN_IER：可使能的中断包括 Tx mailbox empty / Tx OK / Rx FIFO message pending / Error / Wake-up / Sleep ack 等。

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11 常见配置坑与注意事项（实践经验）

• 必须在初始化模式下配置位时序与滤波器，否则设置不会生效（先写 INRQ，等待 INAK）。(STMicroelectronics)
• 滤波器组（Filter Bank）分配：当使用 CAN2 时要注意滤波器分配（通常 lower banks 分给 CAN1，upper banks 给 CAN2，需在 FMR 中配置 split）。若配置不当会导致 CAN2 无法接收消息。
• GPIO 与收发器：IO 上拉/下拉、速率及终端必须按硬件参考设计做，不正确的物理连接会导致总线抖动/错误帧频发。
• NART 位：若设了 NART（禁止自动重发），发送失败将不会重试；用于诊断时方便。
• ABOM 位：若启用自动 bus-off 管理，MCU 能在 bus-off 后自动恢复，生产系统中请根据需求慎重选择。
• 时钟源：确保 APB1 的频率与 BRP 配比能得到所需比特率（1Mbps、500kbps 等）。若 BRP 取整后误差过大，会导致位错误。

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12 寄存器级伪代码

// 1. 使能 RCC APB1 CAN 时钟
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_CAN1EN; // 若使用 CAN2, 也启 CAN2EN（视芯片）// 2. 进入初始化模式
CAN1->MCR |= (1<<0); // INRQ
while(!(CAN1->MSR & (1<<0))) {} // wait INAK set// 3. 配置位时序：BRP, SJW, BS1, BS2（例：1Mbps 需计算 BRP）
CAN1->BTR = (SJW<<24)|(BS1<<16)|(BS2<<20)|(BRP-1);// 4. 配置过滤器 (进入 filter init)
CAN1->FMR |= (1<<0); // FINIT
// 设置 filter bank i：模式(16/32bit list/mask), FIFO assignment, ID/mask 值...
// 例如 CAN1->sFilterRegister[0].FR1 = ...; CAN1->sFilterRegister[0].FR2 = ...;
CAN1->FMR &= ~(1<<0); // 出 filter init (FINIT=0)// 5. 配置 MCR 其他位：ABOM/AWUM/NART/RFLM/TXFP as needed
CAN1->MCR |= (ABOM|AWUM|...);// 6. 退出初始化（normal mode）
CAN1->MCR &= ~INRQ;
while(CAN1->MSR & INAK) {} // wait cleared// 7. 发送一帧（寄存器级）
if (CAN1->TSR & TME0) { // mailbox0 emptyCAN1->sTxMailBox[0].TIR = (IDE?ID_29bit:ID_11bit) | (RTR?RTR_BIT:0);CAN1->sTxMailBox[0].TDTR = (DLC & 0xF);CAN1->sTxMailBox[0].TDLR = data_low32;CAN1->sTxMailBox[0].TDHR = data_high32;CAN1->sTxMailBox[0].TIR |= TXRQ; // 请求发送
}// 8. 接收（poll 或 ISR）
if (CAN1->RF0R & FMP0) {id = CAN1->sFIFOMailBox[0].RIR;dlc = CAN1->sFIFOMailBox[0].RDTR & 0xF;data_low = CAN1->sFIFOMailBox[0].RDLR;data_high = CAN1->sFIFOMailBox[0].RDHR;CAN1->RF0R |= RFOM0; // 释放 FIFO0 输出
}

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13 调试技巧与建议

1. 先用 loopback 模式或静听模式在板上自测，不用外接收发器即可验证寄存器配置与位时序。
2. 若两片 STM32 互联测试，先用单端（同板） loopback，再连收发器到真实总线做全链路测试。
3. 若收不到数据，检查：GPIO AF 配置→收发器供电→终端电阻→滤波器 bank 分配（CAN2 特别容易错）→是否在 init 模式配置滤波器。
4. 观察总线波形（示波器）验证边沿干净、终端与差分对称性；若抖动多，降低波特率或检查物理接线。