STM32G474单片机开发入门(十五)CAN通信功能详解及实战

文章目录

• • 一.概要
  • 二.CAN网络基本组成
  • 三.STM32G474单片机CAN结构与特点
  • • 1.STM32G474单片机CAN基本结构图
    • 2.STM32G474单片机FDCAN基本特点
  • 四.CAN协议帧格式
  • 五.STM32G474RET6的CAN通讯波特率
  • 六.STM32G474RET6的CAN接收过滤器配置
  • 七.CubeMX配置一个CAN数据收发例程
  • • [1. 硬件准备](#1. 硬件准备)
    • 2.创建CubeMX工程
    • 3.实验效果
  • 八.小结

一.概要

CAN全称是（Controller Area Network），控制器局域网络，是ISO国际标准化的串行通信协议，CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN通信只有两根信号线，分别是CAN_High和CAN_Low，CAN 控制器根据这两根线上的电位差来判断总线电平。总线申平分为显性电平和隐性申平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

CAN总线在车上应用非常广泛：

本文介绍了STM32单片机CAN口的基本概念，内部结构，波特率配置，接收滤波配置以及用CAN口进行数据通讯的例程。

二.CAN网络基本组成

一个典型的CAN网络由多个节点组成，每个节点至少包含一个CAN控制器和一个CAN收发器。此外，网络还需要适当的物理介质，如电缆和连接器来连接各个节点。

STM32G474RET6单片机是自带CAN控制器，只要外面挂一个CAN收发器(TJA1050/TJA1042等)就能组成一个CAN节点，实现跟其他节点CAN通讯。

三.STM32G474单片机CAN结构与特点

1.STM32G474单片机CAN基本结构图

CAN core

是CAN控制器的核心，包含协议控制器和接收/发送移位寄存器。它处理所有ISO 11898-1:2015协议功能，并支持11位和29位标识符。

Tx Handler

是用于发送报文，控制从消息RAM到CAN核心的消息传输。有三个Tx缓冲区可用于传输，Tx缓冲区可以用作Tx FIFO或Tx队列。

Rx Handler

是用于控制从CAN核心接收到的消息向外部消息的传输RAM。Rx处理程序支持两个接收FIFO，用于存储所有已接收的消息通过了验收过滤。对于11位ID，可以定义28个过滤器；对于29位ID，最多可以定义8个过滤器。

Message RAM interface

通过RAM将FDCAN访问连接到外部1K字节的消息RAM控制器/仲裁器。

2.STM32G474单片机FDCAN基本特点

STM32G474RET6单片机的FDCAN（Flexible Data-Rate CAN）具有以下主要特点：

1. ‌协议兼容性‌
   支持CAN 2.0标准协议（包括Part A、Part B）和ISO 11898-1:2015标准，同时兼容CAN-FD协议（含速率切换功能）。
   支持AUTOSAR和J1939协议，适用于汽车和工业自动化领域。
2. ‌高性能通信‌
   最高支持2Mbps的通信速率（数据阶段），仲裁阶段速率与传统CAN一致（≤1Mbps）。支持64字节的大数据包传输，显著提升带宽利用率。
3. ‌多模式操作‌
   提供多种工作模式，包括正常模式（Normal）、环回模式（Internal/External Loopback）、总线监控模式（Bus Monitoring）等，适用于调试和不同应用场景。支持自动重传（AutoRetransmission）功能，确保数据传输可靠性。
4. ‌硬件增强功能‌
   内置硬件时戳，为每条接收报文附带时间信息，适用于高精度时序要求的应用。
   支持多FIFO（接收/发送队列）和128条标准ID+128条扩展ID的报文过滤机制，提升数据处理效率。
5. ‌外设集成‌
   与STM32G474的丰富外设（如高分辨率定时器、ADC、USB等）协同工作，适用于复杂系统设计。
   这些特性使STM32G474RET6的FDCAN适用于汽车电子（如BMS）、工业控制、数据采集等高实时性、高带宽需求的场合。

四.CAN协议帧格式

数据帧是使用最多的帧，结构上由7段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B），标识符（ID）长度不同：标准格式为11位，扩展格式为29位。

数据帧格式：

1.起始域

SOF=帧开始

2.仲裁域

ID=标识符

RTR=远程请求位，区分数据帧和遥控帧

3.控制域

IDE=扩展标志位，区分标准格式和扩展格式

r0=保留位，为后续协议升级留下空间

DLC=数据长度

4.数据域

0~8字节的长度

5.CRC域

CRC=循环几余校验码

6.ACK域

ACK=响应位

7.结束域

EOF=帧结束

CAN通信标准帧还是扩展帧，选择使用哪种帧类型取决于具体的应用需求。如果需要传输较小数据量且标识符长度不超过11位，可以选择CAN标准帧。而对于需要传输更大数据量和更长标识符的应用，则应选用CAN扩展帧，一般CAN通信双方之间会先约定好采用标准帧还是扩展帧协议。

五.STM32G474RET6的CAN通讯波特率

由于CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯。

同时，CAN还使用"位同步"的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。

如下所述把名义上的每位时间分为3段：

● 同步段(SYNC_SEG)：通常期望位的变化发生在该时间段内。其值固定为1个时间单元(1 x tCAN)。

● 时间段1(BS1)：定义采样点的位置。它包含CAN标准里的PROP_SEG和PHASE_SEG1。

其值可以编程为1到16个时间单元，但也可以被自动延长，以补偿因为网络中不同节点的频率差异所造成的相位的正向漂移。

● 时间段2(BS2)：定义发送点的位置。它代表CAN标准里的PHASE_SEG2。其值可以编程为1到8个时间单元，但也可以被自动缩短以补偿相位的负向漂移。

我们以STM32G474RET6为例，CAN时钟是挂在APB1上，APB1时钟是170Mhz，

NBRP[8:0]: 波特率分频器 (Baud rate prescaler) ，这个寄存器我们配置成9。

SEG1[7:0]: 时间段1 (Time segment 1) ，这个寄存器我们配置成46。

SEG2[6:0]: 时间段2 (Time segment 2) ，这个寄存器我们配置成19。

根据波特率公式：

tBS1 = tq * (SEG1[7:0] + 1)。

tBS2 = tq * (SEG2[6:0] + 1)。

tq = (NBRP[8:0]+ 1) x tPCLK。

tPCLK=1/170000000。

波特率=1/(tq + tBS1+tBS2)

=1/tq*(1+(SEG1[7:0] + 1)+(SEG2[6:0] + 1))

=170000000/((NBRP[8:0] + 1)*(1+(SEG1[7:0] + 1)+(SEG2[6:0] + 1)))

波特率计算结果就是

170000000/((9+1）*(1+（46+1）+（19+1)))=250000bps。

一般CAN波特率都是250k，500k，1M，125k，我们只要参照250K波特率的配置，改下波特率分频器就很方便能改大改小，都是倍数关系。

六.STM32G474RET6的CAN接收过滤器配置

CAN的过滤器的配置是对CAN接收到的报文进行过滤的配置，在STM32芯片中，可以对CAN的报文进行过滤，从而省略MCU的处理过程，通过配置ID范围、掩码或双ID模式，硬件自动过滤无关报文，减少进入中断的无效数据量‌。在CAN协议里，报文的标识符不代表节点的地址，而是跟报文的优先级相关的。发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。节点在接收报文时，根据标识符的值决定是否需要该报文，如果需要，就拷贝到SRAM里，如果不需要，报文就被丢弃且无需软件的干预。

STM32G474RET6的FDCAN模块支持多种ID过滤器配置模式:
范围过滤（FDCAN_FILTER_RANGE）‌ ：接受FilterID1到FilterID2之间的所有报文（含边界值）。

‌双ID过滤（FDCAN_FILTER_DUAL）‌ ：仅接受完全匹配FilterID1或FilterID2的报文。

‌掩码过滤（FDCAN_FILTER_MASK）‌ ：FilterID1为匹配值，FilterID2为掩码（1表示必须匹配，0表示不关心）。

‌无EIDM范围过滤（FDCAN_FILTER_RANGE_NO_EIDM）‌：类似范围过滤但忽略扩展ID掩码位。

我们着重介绍下掩码过滤（FDCAN_FILTER_MASK）‌ ，掩码过滤旨在通过掩蔽单个位来过滤消息ID组接收到的消息ID。在传统的位掩码过滤中，使用SF1ID/EF1ID作为消息ID滤波器，而SF2ID/EF2ID用作滤波器掩码。过滤掩码中的0位将屏蔽配置ID的对应位位置过滤器，例如，该位位置上接收到的消息ID的值与此无关接收过滤。仅接受接收到的消息ID中对应部分掩码位（mask bits）与接受过滤（acceptance filtering）相关。如果所有掩码位都为1，则只有当接收到的消息ID与（某个值/条件）相匹配时，才会发生匹配消息ID过滤器是相同的。如果所有掩码位均为0，则所有消息ID均匹配。

比如EF1ID为0x321，EF2ID为0x3ff，这样CAN只接收ID为0x321的报文。

比如EF1ID为0x321，EF2ID为0，这样CAN可以接收任意ID的报文，因为所有掩码位均为0，则所有消息ID均匹配。

比如EF1ID为0x321，EF2ID为0x3f0，这样CAN可以接收0x320~0x32f范围内的报文，因为低4位都为0，所以低4位的报文就不需要匹配。

七.CubeMX配置一个CAN数据收发例程

1. 硬件准备

STLINK接STM32G474RET6开发板，STLINK接电脑USB口，TTL转CAN小模块插在板子上，CAN盒插电脑，CAN总线通过杜邦线相连，板子需要5V USB线供电。

2.创建CubeMX工程

如下图所示，打开STM32CubeMX软件，新建工程。

如下图所示，Part Number处输入STM32G474RE，再双击就创建新的工程。

如下图所示，配置下载口引脚，PA13为SWD的SWDIO脚，PA14为SWD的SWCLK脚。

如下图所示，配置FDCAN2，PB12，PB13为CAN通讯引脚，波特率250kbps。

如下图所示，配置外部8M晶振。

如下图所示，配置系统主频170Mhz，使用外部8MHZ晶振。

配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式，生成工程。

如下图所示，增加代码，配置CAN的发送与接收寄存器。

如下图所示，增加代码，实现CAN发送与接收。

主要代码如下

FDCAN_RxHeaderTypeDef RxHeader;//接收头
uint8_t RxData[8];//接收数组
FDCAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;//发送头
uint8_t TxData[8];//发送数组

//配置标准帧
static void FDCAN_Config(void)
{
  FDCAN_FilterTypeDef sFilterConfig;
  /* Configure Rx filter */
  sFilterConfig.IdType = FDCAN_STANDARD_ID;
  sFilterConfig.FilterIndex = 0;
  sFilterConfig.FilterType = FDCAN_FILTER_MASK;
  sFilterConfig.FilterConfig = FDCAN_FILTER_TO_RXFIFO0;
  sFilterConfig.FilterID1 = 0x321;
  sFilterConfig.FilterID2 = 0x7FF;
  if (HAL_FDCAN_ConfigFilter(&hfdcan2, &sFilterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* Configure global filter:Filter all remote frames with STD and EXT ID Reject non matching frames with STD ID and EXT ID */
  if (HAL_FDCAN_ConfigGlobalFilter(&hfdcan2, FDCAN_REJECT, FDCAN_REJECT, FDCAN_FILTER_REMOTE, FDCAN_FILTER_REMOTE) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* Start the FDCAN module */
  if (HAL_FDCAN_Start(&hfdcan2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_FDCAN_ActivateNotification(&hfdcan2, FDCAN_IT_RX_FIFO0_NEW_MESSAGE, 0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* Prepare Tx Header */
  TxHeader.Identifier = 0x321;
  TxHeader.IdType = FDCAN_STANDARD_ID;
  TxHeader.TxFrameType = FDCAN_DATA_FRAME;
  TxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_2;
  TxHeader.ErrorStateIndicator = FDCAN_ESI_ACTIVE;
  TxHeader.BitRateSwitch = FDCAN_BRS_OFF;
  TxHeader.FDFormat = FDCAN_CLASSIC_CAN;
  TxHeader.TxEventFifoControl = FDCAN_NO_TX_EVENTS;
  TxHeader.MessageMarker = 0;
}

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();//8M外部晶振，170M系统主频

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_FDCAN2_Init();//配置CAN，波特率250k,170000/10/(47+20+1), PB12:FDCAN2_RX，PB13:FDCAN2_TX
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	FDCAN_Config();//配置发送帧,接收帧为0x321
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */

		TxData[0] = 0x00;
		TxData[1] = 0xAD;//发送数组内容定义
        /* Start the Transmission process */
		if (HAL_FDCAN_AddMessageToTxFifoQ(&hfdcan2, &TxHeader, TxData) != HAL_OK)//发送CAN帧
        {
          /* Transmission request Error */
          Error_Handler();
        }
    HAL_Delay(100);//等待100ms
		if (HAL_FDCAN_GetRxFifoFillLevel(&hfdcan2, FDCAN_RX_FIFO0) >= 1)//查询FIFO0是否有CAN帧
		{
			/* Retrieve Rx message from RX FIFO0 */
			if (HAL_FDCAN_GetRxMessage(&hfdcan2, FDCAN_RX_FIFO0, &RxHeader, RxData) != HAL_OK)//读取CAN报文，数据内容存储到RxData
			{
				Error_Handler();
			}

		}
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

3.实验效果

打开电脑上位机，通过电脑CAN上位机，250kbps，就能收到板子发出来的报文，ID是0x321，内容是0x00，0xAD。

通过CAN上位机发送ID为0X321，内容为0x1234的标准帧数据，在Keil5调试界面的Watch界面查看RxData变量，能显示板子收到的数据。

八.小结

CAN协议因其高性能、可靠性和灵活性而逐渐被广泛应用于工业控制、汽车、航空航天、船舶、医疗设备、智能家居等领域。