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简介：基于STM32F10x与CAN总线的多节点温湿度数据采集系统设计资料，面向毕业设计、课程设计及工程实训场景。项目通过CAN请求/应答机制与两个从机通信，将温湿度实时显示在LCD上并经串口打印，完整演示了CAN总线多节点组网、数据帧收发与显示处理的开发流程。压缩包共463个文件，以99个h头文件和95个c源文件为主，便于阅读与二次开发；另含MDK工程文件（uvproj）、hex烧录文件及编译中间文件，解压后可直接打开或烧录验证。整体约6.57MB，结构紧凑，适合快速上手复刻。目前已有343人学习使用。资料内包含源码、工程与引脚连接说明，即便不自行绘制PCB，也可用面包板配合杜邦线搭建外设完成验证。所有代码经过测试可直接运行，适合希望深入理解CAN协议并完成课设、毕设或竞赛练手的开发者。

1. 为什么多节点温湿度采集要选STM32F10+CAN总线

多节点温湿度采集，用 CAN 总线配 STM32F103，是课程设计和毕业设计里常见的选择。测点往往分散在几十米甚至上百米范围内，RS-485 轮询要按地址逐个点名，节点一多延迟线性上升，某个节点掉线还会拖住整条链路；CAN 总线为汽车布线而设计，差分信号抗干扰强，多主结构下任何节点都能主动上报，仲裁机制保证高优先级报文抢占总线，更适合点位多、上报随机、有电气干扰的采集场景。STM32F103 内置 bxCAN 外设，不需要外扩控制器，配一颗 TJA1050 收发器就能搭出完整节点。下文按协议、硬件、代码、组网、调试五个环节推进，读完能独立搭建 4 到 8 个节点的完整系统。

2. CAN总线协议核心：帧格式、仲裁机制与位时序参数

2.1 CAN 2.0B数据帧结构：从SOF到EOF逐段拆解

一帧完整的 CAN 数据报文由七个段拼成：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC 段、ACK 段和帧结束。对写固件的工程师来说，真正需要关心的是仲裁段里的标识符、控制段里的 DLC 以及数据段的 8 字节上限。CAN 2.0A 标准帧是 11 位 ID，CAN 2.0B 扩展帧是 29 位 ID；温湿度采集这类节点数不超过 32 个的系统，标准帧完全够用，帧体更短，相同波特率下能多传不少数据。IDE 位为 0 表示标准帧，RTR 位为 0 表示这就是数据帧而不是远程帧，DLC 用 4 位表达，协议上最大是 15，但一条报文的数据段最多只有 8 字节，这是设计应用层协议时绕不开的硬约束。

写代码时最容易漏的是 ACK 段：发送节点把报文发完后，必须有一个接收节点在 ACK 槽回一个显性位，否则发送节点按错误处理流程重发。课程设计里最常见的"发不出去"现象，就是总线上只挂了单板，没有第二个节点回 ACK，发送邮箱一直显示 pending。

2.2 仲裁机制：多节点同时发送时谁赢，要不要上CAN FD

CAN 的物理层只区分显性（逻辑 0）和隐性（逻辑 1）两种电平，多个节点同时往总线发数据时，显性电平覆盖隐性电平，而每个发送节点都在边发边读。某个节点在仲裁段发出隐性位、却从总线上读回显性位时，它立即知道自己输了仲裁，转入接收状态，把总线让给赢家。这套"边发边听、输了就退"的机制，让 CAN 成为少数不需要主站调度就能多点同时上行的总线，这也是多节点温湿度系统敢让所有节点自由上报的原因。

仲裁的规则决定了 ID 数值越小优先级越高。所以多节点系统的 ID 规划不能把节点号直接当地址用，而要把报文类型放在 ID 的高位：报警帧用最小的 ID 区间，数据帧居中，心跳帧放最后。总线拥挤时低优先级帧自动退避重发，高优先级报警却能实时抢通，这个特性在温湿度越限场景里比 RS-485 的排队查询可靠得多。

至于 CAN FD，它把数据段扩展到最多 64 字节、数据段还能提速，但 STM32F103 内置的 bxCAN 控制器只支持经典 CAN 2.0，要用 CAN FD 只能外扩 MCP2518FD 这类独立控制器。毕业设计阶段把经典 CAN 的仲裁、错误处理、负载率这些概念吃透，比追 CAN FD 的新特性更有性价比。

2.3 位时序与采样点：BS1、BS2、SJW参数怎么定

CAN 是同步串行协议，每个位时间由若干个时间量子 Tq 组成，顺序是 SYNC_SEG 在最前，接着是 BS1、BS2。STM32F103 的 bxCAN 挂在 APB1 总线上，最大 36MHz，波特率由分频值和每位的 Tq 数共同决定：

波特率 = f_APB1 / ((BRP+1) × (1 + BS1 + BS2))

以 36MHz 出 500kbps 为例，BRP 取 3，BS1 取 10Tq，BS2 取 7Tq，加上 SYNC_SEG 的 1Tq 一共 18Tq，代入公式正好是 500k。采样点位置则是 (SYNC_SEG + BS1) / 位时间 = 11/18，约 61%。BS1 必须比 BS2 大，就是为了让采样点落在位的后半段，避开跳变沿附近的不稳定区间；总线越长、节点越多，采样点越往后放越稳。

SJW 是重同步时的最大跳变宽度，取值不能超过 BS2。各节点时钟存在微小偏差，收到显性位跳变时会动态调整位时序对齐，SJW 越大纠偏越快，但太大反而容易误同步，500kbps 下取 4Tq 是常用值。全总线节点必须用同一套位时序参数，一个节点配错，初期看不出问题，跑一段时间错误计数器涨上去，整段总线都会瘫痪在错误帧里。

3. 基于STM32F103的bxCAN初始化与温湿度节点实现

3.1 硬件链路：STM32F103C8T6、TJA1050与DHT11怎么接

一个采集节点由三部分组成：STM32F103C8T6 最小系统板承担控制逻辑，TJA1050 负责把控制器的 TTL 电平转成 CAN 总线差分电平，DHT11 负责采温湿度。控制器的 CAN_RX/CAN_TX 引脚固定在 PA11/PA12，TJA1050 的 RXD/TXD 与之对应相连；单片机 3.3V 逻辑和 TJA1050 的 5V 输入之间建议串一个 33Ω 限流电阻，防止收发器输入端的钳位二极管把 5V 倒灌给 MCU。

总线侧，CANH 和 CANL 之间要接 120Ω 终端电阻，而且只在总线物理上最远的两端各接一个。中间节点如果也接了终端电阻，会改变总线特性阻抗，波形反射直接表现为偶发错误帧。DHT11 的数据脚接任意 GPIO（比如 PB0），供电用 3.3V，数据线与 VCC 之间加一个 5kΩ 左右的上拉电阻，单总线协议靠电平释放后的上拉过程区分信号。

3.2 bxCAN初始化：GPIO复用、500kbps位时序与滤波器配置

下面这段基于 STM32 标准外设库 V3.5，完成 CAN1 的初始化，配置为 500kbps、正常模式并开启接收中断：

void CAN_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure; CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE); // PA11 = CAN_RX，输入上拉；PA12 = CAN_TX，复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); CAN_DeInit(CAN1); CAN_StructInit(&CAN_InitStructure); CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE; // 关闭时间触发模式 CAN_InitStructure.CAN_ABOM = ENABLE; // Bus Off 自动恢复 CAN_InitStructure.CAN_AWUM = ENABLE; // 自动唤醒 CAN_InitStructure.CAN_NART = DISABLE; // 发送失败自动重传 CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE; // 接收 FIFO 不锁定 CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE; // 发送优先级由 ID 决定 CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal; CAN_InitStructure.CAN_SJW = CAN_SJW_4tq; CAN_InitStructure.CAN_BS1 = CAN_BS1_10tq; CAN_InitStructure.CAN_BS2 = CAN_BS2_7tq; CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 3; // 36MHz / 4 / 18 = 500kbps CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure); // 滤波器 0 掩码模式，掩码全 0 = 放行所有报文，先调试后收紧 CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_FIFO0; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE; CAN_FilterInit(CAN1, &CAN_FilterInitStructure); CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP0, ENABLE); // FIFO0 挂起中断 }

参数说明：CAN_Prescaler = 3 对应上节表格里的 BRP，CAN_BS1_10tq / CAN_BS2_7tq 把采样点放在约 61% 位置；CAN_ABOM 置位后，控制器进入 Bus Off 不需要应用干预就能回到总线，多节点环境里单节点异常不至于永久掉线；CAN_NART 保持 DISABLE 让发送失败自动重发，报警帧靠这个机制保证不丢；CAN_TXFP 用 DISABLE，这样三个发送邮箱按报文 ID 的优先级排队，符合 2.2 节的仲裁思路。

提示：初始化顺序不能乱，必须先配置 GPIO 再配置 CAN 外设，最后建滤波器。滤波器在 CAN 外设复位后默认是关闭的，漏掉 CAN_FilterActivation = ENABLE 会导致收不到任何报文。

3.3 DHT11读取与CAN报文封装：8字节数据段怎么排

DHT11 一次读取返回 40 位：湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数、校验和。主机先拉低总线 18ms 再释放，DHT11 回一个 80us 低电平加 80us 高电平作为应答，然后连续输出 40 个 bit。每个 bit 都是 50us 低电平开头，区别在高电平持续时间：26~28us 是逻辑 0，70us 左右是逻辑 1，所以读位的核心是卡高电平时长。

uint8_t DHT11_ReadByte(void) { uint8_t i, ret = 0; for (i = 0; i < 8; i++) { while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 0); // 等 50us 低电平结束 delay_us(40); // 0/1 的分界点：40us 后仍是高就是 1 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 1) { ret |= (0x80 >> i); } while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 1); // 等高电平结束 } return ret; }

delay_us(40) 是读位能否成功的核心：逻辑 0 的高电平只有 26~28us，40us 时已经回落；逻辑 1 的高电平约 70us，40us 时还维持在高位。这段代码要求 delay_us 用 SysTick 实现，并且编译优化级别别开太高（-O0 或 -O1），否则延时抖动直接导致读出的字节错位。

采集结果按"温度 ×10、湿度 ×10"存成无符号整数，拼进 CAN 数据段发送：

uint16_t temp = 265; // 26.5℃ uint16_t humi = 582; // 58.2%RH CanTxMsg tx_msg; tx_msg.StdId = 0x100 + NODE_ADDR; // 标准帧 ID，数据帧类型 + 节点号 tx_msg.ExtId = 0; tx_msg.RTR = CAN_RTR_DATA; // 数据帧 tx_msg.DLC = 6; tx_msg.Data[0] = NODE_ADDR; // 节点号 1~8 tx_msg.Data[1] = 0x01; // 传感器类型：0x01=DHT11 tx_msg.Data[2] = temp >> 8; // 温度高字节 tx_msg.Data[3] = temp & 0xFF; // 温度低字节 tx_msg.Data[4] = humi >> 8; // 湿度高字节 tx_msg.Data[5] = humi & 0xFF; // 湿度低字节 CAN_Transmit(CAN1, &tx_msg);

DLC 固定为 6，接收端解析时不依赖 ID 判断长度，协议更简单直接。CAN_Transmit 只是把报文塞进发送邮箱，真正发完要轮询 CAN_TransmitStatus(CAN1, 邮箱号) 等于 CAN_TxStatus_Ok，或者用发送完成中断；数据段留出的第 6、7 字节可以给后续扩展用，比如电池电量或信号强度。

4. 多节点组网：CAN ID规划、报文格式与负载率计算

4.1 节点ID怎么分配：报文类型优先级高于节点号

多节点系统最忌讳直接拿节点号当 CAN ID。仲裁按 ID 数值分胜负，如果节点 1 用 0x001、节点 2 用 0x002，报警帧和数据帧混在同一层，优先级完全无法区分。常见做法是把 11 位标准帧 ID 按位段拆开：高位 3 位表示报文类型，中间 4 位留作区域，低位 4 位放节点号。

这样划分后，任何报警帧的 ID 都小于数据帧，数据帧小于心跳帧。总线拥塞时高优先级报文先抢到发送权，低优先级自动退避，不会因为某个节点频繁上报导致其他节点的报警发不出去。接收端用掩码滤波器只放行某一类报文，比如只收类型号为 1 的数据帧：

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x100 << 5; // 期望 ID 0x100，高半字 CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000; // 低半字，IDE=0 表示标准帧 CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x700 << 5; // 只比较 ID[10:8] 类型段 CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x04; // 强制匹配 IDE=0

这里的 <<5 是 STM32 滤波器寄存器特有的对齐：11 位标准 ID 存放在 32 位滤波寄存器的 bit31~21，高 16 位寄存器里恰好是 ID 左移 5 位。掩码为 1 的位必须匹配，为 0 的位不关心，0x700 << 5 = 0xE000 锁定了类型号三段。这个移位是滤波器配置里最容易写错的地方，建议先在纸上把 ID 的 11 个 bit 画出来，再对着寄存器位填。

4.2 数据帧协议设计：一帧装两组温湿度还是拆帧

温湿度采集的典型配置是每个节点带 2~4 个传感器，分布在节点周边几米内。8 字节数据段可以装下两组"温度 + 湿度"，每组占 4 字节：温度整字节、温度小数字节、湿度整字节、湿度小数字节。8 个节点、每节点 2 组数据，一个完整周期就是 8 帧，总共约 900 bit，250kbps 下 4ms 就能传完，负载率很低。

如果要求 0.1℃ 分辨率，温度和湿度各用 2 字节，一组就要 4 字节，8 字节刚好装两组；要 0.01℃ 精度，一帧只能装一组数据，帧数翻倍，负载率跟着翻倍。分辨率与帧容量的权衡就体现在这里。协议里还应该在数据段末尾留一个校验字节，采用累加和或 CRC8，避免接收端把损坏的数据当真实采样值用。

4.3 CAN总线负载率计算公式与Python实测脚本

负载率定义为单位时间内总线上被占用的时间比例，计算核心是每帧的总位长：

负载率 = Σ(每帧总位长) / (波特率 × 上报周期)

每帧总位长除了协议本身的帧结构，还要算上填充位。CAN 规定连续 5 个相同电平后必须插入一个反向填充位，填充位数量取决于数据内容，随机数据平均约 20% 的位会触发填充，工程估算按 1.2 倍系数。

def can_load_rate(bit_rate_hz, frame_count, dlc, period_s, stuff_ratio=0.2): # 标准帧数据帧固定开销：SOF1 + 仲裁12 + 控制6 + CRC16 + ACK2 + EOF7 + IFS3 = 47 bit overhead = 47 data_bits = dlc * 8 base_bits = overhead + data_bits bits_per_frame = base_bits * (1 + stuff_ratio) return frame_count * bits_per_frame / period_s / bit_rate_hz * 100 # 8 节点，每节点每秒 1 帧数据 + 1 帧心跳，DLC=6，250kbps rate = can_load_rate(250_000, frame_count=16, dlc=6, period_s=1.0) print(f"理论负载率: {rate:.2f}%") # 输出约 0.73%

算出来的 0.73% 说明余量非常大。CAN 总线的工程经验是长期负载率控制在 30% 以下，短时峰值不超过 50%，超过后低优先级帧的延迟会明显变大，因为 CAN 没有以太网那样的队列缓冲，发不出去的帧只能反复重试或丢弃。负载率上去了，先怀疑上报周期是否被中断优先级拖慢，再检查有没有节点在疯狂重发错误帧。

注意：实测负载率通常比理论值高。DHT11 的读取时序抖动会让实际上报周期比配置值略短，错误重传也会额外占用总线。两者偏差在 20% 以内属于正常，偏差过大时要先排查错误帧，而不是改公式系数。

5. CAN总线测试实操：回环模式、波形验证与Bus Off恢复

5.1 回环模式先通软件链路，再接收发器

板子焊好先别接 TJA1050，把 CAN_Mode 改成 CAN_Mode_LoopBack 回环模式。回环模式下报文在控制器内部自发自收，不经过引脚也不占用总线，专门用来验证初始化参数、滤波器配置和接收中断是否正常。测试步骤是调用一次发送，再到 FIFO0 接收中断里比对收到的帧内容，逐字节一致说明软件链路通。

CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_LoopBack; // 只改这一行做自测 // 发送 0x101 帧后检查 CAN_TransmitStatus(CAN1, 邮箱号) // 返回 CAN_TxStatus_Ok，且接收中断收到同样一帧，即为通过

回环通过后切回 CAN_Mode_Normal 再挂收发器。回环正常、正常模式却收不到时，按顺序查三处：TJA1050 的 TXD/RXD 是否误接到了其他引脚，总线两端是否各有一个 120Ω 终端电阻，对端设备的波特率是否一致。这三个问题占正常模式联调失败原因的八成以上。

5.2 示波器看差分波形与Bus Off恢复策略

注意：抓波形用示波器的差分模式，两个探头分别夹 CANH 和 CANL，不要对地测单端电平，单端波形受共模干扰影响，容易误判。

空闲状态下 CANH 和 CANL 都稳定在 2.5V 附近，出现显性位时 CANH 抬到约 3.5V、CANL 拉低到约 1.5V，差分幅度 2V。空载时如果线上不是 2.5V，优先检查收发器供电和终端电阻；波形能抓到但帧发不出去，多半是 ACK 错误——总线上只有发方自己，没有节点应答。

Bus Off 之后控制器脱离总线，配置了 CAN_ABOM = ENABLE 会自动恢复，但恢复时机不受应用控制。工程做法是把周期性温湿度帧直接丢弃，不加重发逻辑，错过一个周期下一个周期自然补上；对必须送达的配置帧，则放进环形缓冲，等发送邮箱空闲了再补发。最后用 USB-CAN 分析仪对比实测负载率和 4.3 节脚本算出的理论值，偏差超过 20% 时，先去查节点时钟误差和错误重传次数，而不是先怀疑计算公式。

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