【双 MCU 架构车载仪表终端（CAN 互联）】STM32F1 bxCAN 外设

1. 引言

STM32 内置 bxCAN 外设（CAN 控制器），bx = Basic eXtended，支持 CAN 2.0A/B（标准+扩展格式全支持）。

2. bxCAN 外设简介

参数	说明
波特率最高 1Mbps	高速 CAN 范围 125k~1M，完美支持
3 个发送邮箱	可缓存 3 个待发报文
2 个 3 级深度接收 FIFO	共缓存 2×3=6 个报文
14 个过滤器组	(互联型才有 28 个) 按 ID 过滤接收报文，无关报文硬件直接丢弃，减轻软件负担
特色功能	时间触发通信、自动离线恢复、自动唤醒、禁止自动重传、FIFO 溢出方式可配、发送优先级可配、双 CAN 模式（了解即可，一般只用核心功能）

F103C8T6 只有 CAN1 一个外设。

3. CAN 框图

手册框图分上下两部分：上半是主 CAN（CAN1），下半是从 CAN（CAN2，仅互联型有，且 CAN2 不是独立资源，是辅助 CAN1 共用一条总线）。本芯片只有上半部分，含三大块：CAN2.0B 内核（一堆寄存器，程序读写寄存器操纵电路）、3 个发送邮箱、接收过滤器 + 2 个 FIFO。

4. CAN 基本结构

4.1 发送路径

报文参数（ID、Data、IDE、RTR 等）→ 写入一个空置发送邮箱 → 请求发送 → “管理员”（发送控制电路）等总线空闲自动广播，位同步/仲裁等全自动。

• 为什么 3 个邮箱：防止总线繁忙时发送拥堵——上一个报文滞留邮箱时，CPU 可以换另一个空邮箱继续写；三个都满才需要 CPU 等待（那说明总线已重度拥堵，一般不会发生）；
• 发送策略可配：多个报文同时待发时，先请求先发送（先来后到）或按 ID 优先级（ID 小的先发）。

4.2 接收路径

总线上任何数据帧/遥控帧都会被硬件收下 → 过接收过滤器（14 个，按 ID 比对）→ 通过的进入 FIFO0 或 FIFO1 排队 → CPU 轮询或中断读取。过滤器可指定通过的报文进哪个 FIFO；未配置的过滤器默认禁用。硬件过滤替软件省下了逐条比对 ID 的工作。

4.2.1 FIFO 排队规则

FIFO = 先进先出存储器 = 排队。每个 FIFO 深 3 级：报文从队尾进、CPU 从队首读走，读完释放邮箱、后面整体前移。队满后再来报文，由 RFLM 位配置两种丢法：锁定（丢新来的）或不锁定（新来的踢掉队尾旧报文）。

为什么要 2 个 FIFO：分流。不重要报文数量大、重要报文数量少——若全排一个队，队满时大概率排到的都是不重要报文，重要的反而排不上丢失；分两个队（重要/不重要分开），重要报文丢失概率大降。官方不给两个 FIFO 分优先级（平级），如何分流由开发者按重要性/种类/频率自行决定。

5. 发送过程（寄存器）

发送邮箱状态流转（细节）：

选空邮箱 → 写报文 → 请求发送（TXRQ=1）。状态机：

空置(TME=1) ──请求发送──> 挂号(数据就绪,排队中)
    挂号 ──优先级最高──> 预定(下次就轮到我)
    预定 ──按ID优先级被超──> 退回挂号（按请求次序则不会退回）
    预定 ──总线空闲──> 发送中 ──成功──> 空置(RQCP=1,TXOK=1,TME=1)
                              └─失败─┬─ NART=0(自动重传)→回预定,重发直到成功
                                     └─ NART=1(禁止重传)→空置(RQCP=1,TXOK=0)
    挂号/预定 ──ABRQ=1 终止发送──> 空置(同发送失败)

6. 接收过程（寄存器）

接收 FIFO 状态流转（细节）：

• 空状态（FMP=0）→ 收 1 个报文 → 挂号1（FMP=1）→ 挂号2（FMP=10B，UP 主指出手册此处写成 0x10 是笔误，应为二进制 10）→ 挂号3（FMP=11B，FULL 置 1）→ 再收 → 溢出（FOV=1，FMP 保持 3）；
• 读取规则：CPU 每读走一个报文必须释放邮箱（RFOM=1），队伍前移；
• 手册图上“溢出→释放→挂号3→再释放→挂号2”看起来要释放两次，实际溢出和挂号3 是同一个状态（队伍长度都是 3），释放一次直接进挂号2。

7. 发送和接收寄存器配置位

位	名称	置 1	置 0
NART	禁止自动重传	报文只发一次，无论成败	失败自动重传直到成功
TXFP	发送优先级	按请求顺序（先来后到）	按标识符（ID 小先发；ID 相同邮箱号小先发）
RFLM	接收 FIFO 锁定	溢出时丢弃新报文	溢出时新报文覆盖队尾旧报文

8. 标识符过滤器

每个过滤器（共 14 个，各一套、互不影响，x=0~13）拥有：

• 两个 32 位核心寄存器 FR1、FR2（FxR131:0、FxR231:0）——存放 ID 过滤关键信息；
• FSCx 位宽：0=16 位，1=32 位；
• FBMx 模式：0=屏蔽模式，1=列表模式；
• FFAx 关联 FIFO：0=通过的报文存 FIFO0，1=存 FIFO1（对应 P6 图里每个过滤器指向两个队列的二选一箭头）；
• FACTx 激活：0=禁用，1=启用（不用的过滤器关掉，防误动作）。

FSC × FBM 组合出四种：32 位列表 / 32 位屏蔽 / 16 位列表 / 16 位屏蔽。

8.1 32 位列表模式（最直接）

FR1、FR2 各写一个目标 ID（一个过滤器最多 2 个），报文 ID 在列表中就通过、不在就丢弃。
32 位寄存器映像（左对齐）：STID[10:0]（高11位）| EXID[17:0] | IDE | RTR | 保留1位：

• 写标准 ID：ID 写入高 11 位 STID，后面全 0，IDE=0；
• 写扩展 ID：前 29 位（STID+EXID 连起来）整体写入，STID 的 11 位作为扩展 ID 的高 11 位，IDE 必须给 1；
• RTR：0=数据帧，1=遥控帧；
• 易错点：写入的 ID 类型必须与 IDE 位严格对应——写了扩展 ID 却让 IDE=0，硬件只会拿高 11 位当标准 ID 匹配。

8.2 16 位列表模式（只为标准 ID 优化）

很多项目只用标准 ID，32 位映像里 18 位 EXID 空间就浪费了。于是把 FR1、FR2 各拆成两个 16 位寄存器，一个过滤器可写 4 个标准 ID，资源利用率翻倍。
16 位映像：STID[10:0] | RTR | IDE | EXID[17:15]（3位废位写0）；IDE 固定写 0（16 位根本装不下扩展 ID）。

8.3 屏蔽模式（过滤一组 ID）

示例场景：一个传感器有 100 个温度探头 + 100 个湿度探头，ID 规划成 0x1000x1FF 全是温度、0x2000x2FF 全是湿度。某设备要收全部温度数据——列表模式把 14 个过滤器用光也写不下 100 个 ID → 需要“部分匹配”：ID 高位是 0x1 的全部通过。

• 32 位屏蔽模式：FR1 写 ID 模板，FR2 写屏蔽码（Mask，掩码）——FR2 某位=1 表示 FR1 对应位必须匹配；=0 表示该位无关（1/0 均可）。
  例：过滤 0x1 开头的标准数据帧：FR1 = ID 模板（001 后随意填 0）且 IDE=0、RTR=0；FR2 = ID 高 3 位置 1（高 3 位必须为 001）、后面 ID 位全 0（随意），IDE 屏蔽位必须给 1（否则格式无所谓，扩展 ID 会误入），RTR 屏蔽位按需（只要数据帧→RTR 匹配；数据/遥控都要→RTR 屏蔽位给 0）。
• 16 位屏蔽模式：FR1 低 16 位=ID 模板、高 16 位=对应屏蔽码；FR2 同理——一个过滤器可设两组“ID+屏蔽码”。
• ID 规划经验：同类数据的 ID 高位固定、低位作子类区分，正好配合屏蔽模式；把一组 ID 随机分配毫无规律，“属于自己折磨自己”，一般不会这么干。

8.4 配置示例

例 1（16 位列表）：总线有 0x123/234/345/456/567/678，要收 0x234、0x345、0x567。
全标准 ID → 选 16 位位宽；ID 无规律 → 只能列表模式。4 个槽写 3 个 ID，第 4 个写 0（前提：总线上不会出现 ID=0 的帧）。
关键细节：写入时 ID 必须左移 5 位——映像是左对齐的，而程序写值默认右对齐，STID+RTR+IDE+3 位 EXID 共占低 5 位；要收遥控帧再或上 0x10（RTR 位）。

例 2（16 位屏蔽）：总线有 0x1000x1FF、0x2000x2FF、0x3100x31F、0x3200x32F 四组，要收 0x2000x2FF（256 个）+ 0x3200x32F（16 个）。
全标准 → 16 位；数量多 → 屏蔽模式：

• 第一组：ID 部分写 0x200<<5（0x2 关键、低 8 位填 0 无所谓），屏蔽码写 0x700<<5（高 3 位必须匹配；写 0xF00 也一样，反正左移 5 位后等效）| 0x10（RTR 匹配=数据帧）| 0x8（IDE 必须匹配为 0，只收标准帧，防扩展 ID 误入）；
• 第二组：ID=0x320<<5，屏蔽码=0x7F0<<5（高 7 位匹配、低 4 位随意）| 0x10 | 0x8 → 0x320~0x32F。

例 3（32 位列表）：总线上有标准 0x123/234/345/456 和扩展 0x12345678、0x0789ABCD，要收 0x123 + 0x12345678。
选 16 还是 32 位由想要的 ID 决定（不是由总线上存在什么决定）——要收的含扩展 ID → 必须 32 位；两 ID 无法分组 → 列表：

• FR1 = 0x123<<21（标准 ID 在 32 位映像左移 21 位；IDE=0、RTR=0 默认收数据帧；要遥控帧或 0x2）；
• FR2 = 0x12345678<<3 | 0x4（扩展 ID 左移 3 位，或 0x4 置 IDE=1；要遥控帧再或 0x2）。

例 4（32 位屏蔽，扩展成组）：总线有 0x123456000x123456FF 和 0x0789AB000x0789ABFF 各 256 个扩展 ID，要收前一组：

• FR1 = 0x12345600<<3 | 0x4（RTR=0 数据帧）；
• FR2 = 0x1FFFF00<<3 | 0x4 | 0x2（ID 高 21 位必须匹配、低 8 位无关；IDE 匹配；RTR 匹配）→ 0x12345600~0x123456FF 扩展数据帧。

例 5（只要遥控帧）：任意 ID、只要遥控帧 → 32 位屏蔽：FR1=0x2（RTR=1），FR2=0x2（只匹配 RTR，其余全无所谓）。

例 6（通配/全部通过）：调试初期常用——32 位屏蔽，FR1 随便给，FR2 全 0（所有位无关）→ 所有帧全通过，避免过滤器干扰接收程序的调试。

9. CAN 测试模式

调试双端通信的痛点：数据没收对时，不知道是发送程序错、接收程序错还是接线错，无法定位。先单设备自发自收，成功后再互联，程序才稳健。正常模式下 TX 直通发送引脚、RX 直通接收端；三种测试模式改的是内部连接：

注意：环回模式的“自发自收”是报文层面的（自己发的报文自己收回来），不是底层回读电平机制，别钻牛角尖。模式切换只改代码、不用改接线，非常方便。

10. CAN 工作模式

1. 初始化模式：配置 CAN 外设参数时使用，禁止报文收发——防止参数配一半、外设就带着错误参数运行干扰总线。配完再切正常；
2. 正常模式：正常收发；
3. 睡眠模式：低功耗，CAN 外设时钟停止。唤醒方式由 AWUM 位配置：AWUM=1 硬件自动唤醒（一检测到总线活动，硬件自动清 SLEEP 位唤醒，可“处理完就睡、有报文自动醒”，省电不误事）；AWUM=0 软件手动唤醒。

状态位与切换：SLAK（睡眠确认）、INAK（初始化确认）。复位后默认睡眠模式（SLAK=1, INAK=0）；初始化模式 SLAK=0、INAK=1；正常模式两者都 0。切换靠 SLEEP / INRQ 位发起请求，但不会立刻生效：请求睡眠要等到当前报文应答（ACK）之后（报文发一半不能睡）；进入正常模式要等总线空闲（sync 信号，防误操作）。

11. 波特率和采样时序

CAN 规范里一位分四段：SYNC + PTS + PBS1 + PBS2。STM32 的设计者认为 PTS 和 PBS1 之间没啥事干、都是可配置段，干脆合并为一个 BS1 段，少一个参数：

• STM32 位时序三段：SYNC 固定 1Tq、BS1 = 1~16Tq（TS1+1）、BS2 = 1~8Tq（TS2+1）；SJW = 1~4Tq；采样点在 BS1/BS2 之间，其余与规范相同。
• 波特率公式：TQ = (BRP+1) × T_PCLK；F103 的 CAN 挂在 APB1（PCLK1 = 36MHz）：
  波特率 = 36MHz ÷ (BRP+1) ÷ (1 + (TS1+1) + (TS2+1)) ——连除式，和定时器算频率一个套路。

12. 中断

中断	触发源
发送中断	发送邮箱空（如 RQCP0/1 置 1）
FIFO0 中断	收到报文（FMP0≠0） / 队满（FULL） / 溢出（FOV0）
FIFO1 中断	同 FIFO0，完全独立
状态改变错误中断	出错、唤醒、进入睡眠

信号流向：各标志位 → 与门（中断允许位 IE 当开关）→ 或门汇总 → NVIC 的 4 个中断向量（4 个中断函数）。分成 4 路的好处：各类事务独立处理，还能配不同优先级——配置中断时需注意。

13. 错误处理和离线恢复

TEC/REC 计数器的增减、主动错误 →（TEC/REC>127）→ 被动错误 →（TEC>255）→ 离线（总线关闭）→（128 次 11 个隐性位）→ 恢复主动错误。

STM32 的个性化设计：ABOM（自动离线恢复）位:

• ABOM=1：进入离线后自动开启恢复过程（与协议行为一致）；
• ABOM=0：离线后不能直接恢复，必须软件先请求进入初始化再退出（INRQ 置 1 再清 0），之后检测到 128 次 11 个隐性位才恢复。

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