STM32单片机使用CAN协议进行通信

御风_212024-12-23 13:47

CAN总线（控制器局域网总线）

理论知识

CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线

CAN总线特征

  • 两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少，无需共地
  • 差分信号通信（相对的是单端信号），抗干扰能力强（意思是当有干扰时，两根线同时产生波动，但两根线的差值不变）
  • 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps，<40m
  • 低速CAN（ISO11519）：10k~12kbps，<1km
  • 异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
  • 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
  • 11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
  • 可配置1~8字节的有效载荷
  • 可实现广播式和请求式两种传输方式
  • 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

|------|------------------|-----|----|----|-----|-----------------------|
| 名称 | 引脚 | 双工 | 时钟 | 电平 | 设备 | 应用场景 |
| UART | TX、RX | 全双工 | 异步 | 单端 | 点对点 | 两个设备互相通信 |
| I2C | SCL、SDA | 半双工 | 同步 | 单端 | 多设备 | 单主控外挂多个模块 |
| SPI | SCK、MOSI、MISO、SS | 全双 | 同步 | 单端 | 多设备 | 单模块外挂多个模块（高速，可达几Mbps） |
| CAN | CAN_H、CAN_L | 半双工 | 异步 | 差分 | 多设备 | 多个主控互相通信 |
[主流通信协议对比]

CAN硬件电路

  • 每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上
  • 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120欧的终端电阻（第一个作用是防止回波反射，第二个作用是没有设备操作时，将两根差分线的电压收紧）
  • 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2千欧的终端网络（有回波反射作用）

CAN电平标准

  • CAN总线采用差分信号，即两线电压差（Vcan_h-Vcan_l）传输数据位
  • 高速CAN规定：

电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）

  • 低速CAN规定：

电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）

CAN总线帧格式

|-----|---------------------|
| 帧类型 | 用途 |
| 数据帧 | 发送设备主动发送数据（广播式） |
| 遥控帧 | 接收设备主动请求数据（请求式） |
| 错误帧 | 某个设备检测出错误时向其他设备通知错误 |
| 过载帧 | 接收设备通知其尚未做好接收准备 |
| 帧间隔 | 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开 |

数据帧

总线空闲状态-->帧起始SOF（发送隐性电平1）-->仲裁段（发送11位报文ID以及RTR【隐性电平1表示数据帧，显性电平0表示遥控帧】）-->控制段（IDE：ID扩展标志位：用于区分标准格式还是扩展格式【标准格式发显性电平0，扩展格式发隐性电平1】）、r0（保留位，必须为显性电平0）、4位DLC（用于指定1~8位有效载荷）-->数据段（要发送的数据，大小与前面的DLC对应）-->CRC段（校验算法：CRC及CRC界定符）-->ACK段（收发应答：ACK槽及ACK界定符）-->帧结束（EOF）

扩展格式：SRR替代RTR，协议升级时留下的无意义位

应答的过程是发送方与接收方操纵总线的过程，发送方发完数据后释放总线，等待读取总线信息，如果读到总线被拉紧，就说明有其他设备接收到数据，并且，CAN设备是发送方发送一位，接收方接收一位的过程，两个界定符的作用是给发送方和接收方留出操纵总线的时间。

遥控帧

遥控帧无数据段，RTR为隐性电平1，其他部分与数据帧相同

CAN的遥控帧（Remote Frame）的主要作用是请求其他节点发送具有特定ID的数据帧。具体来说，当一个节点需要从另一个节点获取数据时，它可以发送一个遥控帧，而不是直接发送数据。这个遥控帧包含了请求数据的ID，但没有包含数据本身。接收到遥控帧的节点如果拥有与遥控帧ID相匹配的数据帧，就会响应并发送相应的数据帧。这种方式允许节点仅请求需要的数据，而不是不断发送可能不需要的数据，从而提高了网络的效率和减少了不必要的数据传输。

位填充

位填充规则：发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原始数据。

位填充作用：

  • 增加波形的定时信息，利于接收方执行"再同步"，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
  • 将正常数据流与"错误帧"和"过载帧"区分开，标志"错误帧"和"过载帧"的特异性（错误帧和过载帧回发送6个相同电平）
  • 保持CAN总线早发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲

位时序

为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据中心附近，CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相对缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成

硬同步

  • 每个设备都有一个位时序计时周期，当每个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到SOF的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步
  • 硬同步只在帧的第一个下降沿（SOF下降沿）有效
  • 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必须都会对齐数据位中心附近

再同步

  • 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步
  • 再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿

总线仲裁

CAN基本结构

STM32有CAN外设，微控制器做为CAN控制器，其内部结构如上图所示，发送和接收控制器相当于管家，控制CAN的发送和接收，发送邮箱是发送缓冲区，发送接收控制器可以根据先来后到或者ID优先级两种方式进行选择发送报文，通过CAN_TX发送到外面的CAN收发器，CAN收发器将TTL电平转换为差分电平CAN_H和CAN_L，传输到CAN总线上，发送接收控制器从CAN_RX引脚接收CAN总线发来的数据电平，先经过14个过滤器筛选，通过过滤器的报文再存放到接收FIFO（先入先出寄存器，队列）中，等待CPU读取处理。

代码

标准格式、扩展格式、数据帧、遥控帧

MyCAN.h

cpp 复制代码 
#ifndef __MYCAN_H
#define __MYCAN_H
#include "stdint.h"

void MyCAN_Init(void);
void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage);
uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void);
void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage);

#endif

MyCAN.c

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void MyCAN_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;
	CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal;//环回模式
	CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;     //波特率 = 36M/48/(1+BS1Tq数+BS2Tq数)=125K
	CAN_InitStructure.CAN_BS1 = CAN_BS1_2tq;
	CAN_InitStructure.CAN_BS2 = CAN_BS2_3tq;
	CAN_InitStructure.CAN_SJW = CAN_SJW_2tq;
	CAN_InitStructure.CAN_NART = DISABLE;    //自动重传
	CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE;    //发送邮箱优先级，ENABLE先请求先发送，DISABLE，ID号小的先发送
	CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE;    //FIFO锁定，ENABLE,FIFO溢出时，新报文丢弃，DISABLE，最后收到的报文被新报文覆盖
	CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE;    //自动唤醒，ENABLE，自动，DISABLE，手动
	CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE;    //时间触发通信模式
	CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE;	 //离线自动恢复，ENABLE自动恢复，DISABLE手动恢复
	CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);
	
	
	CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000;    //全通模式
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：32位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：屏蔽模式
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
}

void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage)
{
	uint8_t TransmitMailbox = CAN_Transmit(CAN1,TxMessage);
	uint32_t Timeout = 0;
	while(CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox)!=CAN_TxStatus_Ok) //超时退出
	{
		Timeout ++;
		if(Timeout > 100000)break;
	}
}

uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void)
{
	if(CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)>0)  //检查FIFO里是否有报文
	{
		return 1;
	}
	return 0;
}

void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage)
{
	CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,RxMessage);
}

main.c

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyCAN.h"
#include "Key.h"

CanTxMsg TxMsgArray[] = {
/*	StdId 	  ExtId        IDE			  RTR	  DLC		Data[8]		*/
	{0x555,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Data,4,{0x11,0x22,0x33,0x44}},
	{0x000,0x12345678,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Data,4,{0xAA,0xBB,0xCC,0xDD}},
	{0x666,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Remote,0,{0x00,0x00,0x00,0x00}},
	{0x000,0x0789ABCD,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Remote,4,{0x00,0x00,0x00,0x00}},	
};

CanRxMsg RxMsg;

u8 pTMsgArray = 0;

int main()
{
	u8 keyNum = 0;
	
	OLED_Init();
	MyCAN_Init();
	Key_Init();
	OLED_ShowString(1,1,"Rx :");

	OLED_ShowString(2,1,"RxID:");
	OLED_ShowString(3,1,"Leng:");
	OLED_ShowString(4,1,"Data:");
	
	
	while(1)
	{
		keyNum = Key_GetNum();
		if(keyNum==1)
		{			
			MyCAN_Transmit(&TxMsgArray[pTMsgArray]);
			pTMsgArray++;
			pTMsgArray%=sizeof(TxMsgArray)/sizeof(CanTxMsg);
		}
	
		if(MyCAN_ReceiveFlag())
		{
			MyCAN_Receive(&RxMsg);
			
			if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Standard)
			{
				OLED_ShowString(1,6,"Std");
				OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.StdId,8);
			}
			else if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Extended)
			{
				OLED_ShowString(1,6,"Ext");
				OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.ExtId,8);
			}
			if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Data)
			{
				OLED_ShowString(1,10,"Data  ");
				
				OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);
				
				OLED_ShowHexNum(4,6, RxMsg.Data[0],2);
				OLED_ShowHexNum(4,9, RxMsg.Data[1],2);
				OLED_ShowHexNum(4,12,RxMsg.Data[2],2);
				OLED_ShowHexNum(4,15,RxMsg.Data[3],2);				
			}
			else if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Remote)
			{
				OLED_ShowString(1,10,"Remote");
				
				OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);
				
				OLED_ShowHexNum(4,6, 0x00,2);
				OLED_ShowHexNum(4,9, 0x00,2);
				OLED_ShowHexNum(4,12,0x00,2);
				OLED_ShowHexNum(4,15,0x00,2);					
			}

		}
	}
}

过滤器的使用

（1）16位列表模式

cpp 复制代码 
	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;
//	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = (0x234<<5)|0x10;   //RTR在第五位，|0x10就能接收遥控帧
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x234<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x345<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x567<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //过滤器位宽：16位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //过滤器模式：列表
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 1;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x123<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x678<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x000<<5;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（2）16屏蔽模式

cpp 复制代码 
	CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;

	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x200<<5;      //第一组ID
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = (0x700<<5)|0x10|0x8;  //对应的屏蔽位
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x320<<5;		  //第二组ID
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = (0x7F0<<5)|0x10|0x8;    //对应的屏蔽位
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //过滤器位宽：16位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：屏蔽
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（3）32位列表模式

cpp 复制代码 
	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;

	uint32_t ID1 = 0x123<<21;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID1>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID1;
	
	uint32_t ID2 = (0x12345678u<<3)|0x4;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = ID2>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = ID2;  
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //过滤器模式：列表
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（4）32位屏蔽模式

cpp 复制代码 
	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;

	uint32_t ID = (0x12345600u<<3)|0x4;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;
	
	uint32_t Mask = (0x1FFFFF00u<<3)|0x4|0x2;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：列表
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（5）只接收遥控帧

cpp 复制代码 
	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;

	uint32_t ID = 0x2;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;
	
	uint32_t Mask = 0x2;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  
	
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：列表
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
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