22、STM32 CAN总线应用与软件配置详解

STM32 CAN总线应用与软件配置详解

1. CAN总线消息格式

CAN总线非扩展消息格式包含多个字段，各字段的位长度和描述如下表所示：
| 字段名称 | 位长度 | 描述 |
| — | — | — |
| SOF | 1 | 帧起始 |
| ID | 11 | 消息ID/优先级 |
| RTR | 1 | 远程传输请求：数据帧为0，远程请求为1 |
| IDE | 1 | 标识符扩展：11位格式为0，29位为1 |
| Reserved | 1 | 必须为0 |
| DLC | 4 | 数据长度码：0到8字节 |
| Data | 0 - 64 | 传输的数据（DLC设置长度） |
| CRC | 15 | 循环冗余校验 |
| CRC delimiter | 1 | 必须为1（隐性） |
| ACK slot | 1 | 发送器发送1（隐性），接收器响应0（显性） |
| ACK delimiter | 1 | 必须为1（隐性） |
| EOF | 1 | 帧结束：1（隐性） |

2. STM32的局限性

STM32 CAN总线外设使用SRAM存储消息，但STM32F103 MCU的设计使得CAN和USB共享同一内存区域，因此CAN和USB不能同时使用。虽然可以禁用一个设备来使用另一个，但这并不实际，所以演示将使用UART进行通信。

3. 演示设置

本次演示将实现三个假设的电子单元（EU）：
1. EU1 ：仪表盘控制单元（具有UART接口），提供灯光控制并从后部的EU3读取温度。
2. EU2 ：后部控制器单元，负责停车灯、信号灯和刹车灯。
3. EU3 ：前部控制器单元，负责前部停车灯和信号灯。

完整演示需要三个STM32 MCU，但如果只有两个，也可以部分演示操作，不过三个效果最佳。必要时可以省略前部的EU2。

4. 软件构建

演示的软件目录位于：

$ cd stm32f103c8t6/rtos/can

重新编译的命令如下：

$ make clobber
$ make

这将编译出三个可执行文件：

$ ls *.elf
front.elf    main.elf    rear.elf

5. UART接口

EU1是主控制单元，模拟位于假设车辆仪表盘后面的设备（模块main.c）。演示配置的串口参数如下，必须与minicom或你选择的终端程序一致：
- 波特率：115,200
- 数据位：8
- 奇偶校验：无
- 停止位：1
- 硬件流控制：RTS/CTS

硬件流控制需要将RTS和CTS线连接到TTL串口适配器和STM32，连接后，终端程序也必须配置为使用硬件流控制。如果任何细节不正确，将无法进行通信。如果流控制因某种原因无法工作，可能会出现数据丢失和乱码。

如果硬件流控制有问题或TTL串口适配器缺少所需的RTS/CTS信号，可以将main.c中的以下源行：

open_uart(1,115200,"8N1","rw",1,1);

改为：

open_uart(1,9600,"8N1","rw",0,0);

重新编译后，如果仍有数据丢失，可进一步降低波特率。否则，9,600的较低波特率应该没问题。

6. MCU烧录

本次演示需要烧录三个MCU：
1. EU1：main.c
2. EU2：front.c
3. EU3：rear.c

烧录设备的命令如下（构建后）：

$ make flash
$ make flash_front
$ make flash_rear

7. 演示总线

为了简化操作，本次演示使用带有4.7 kohm上拉电阻的短单总线CAN（SWCAN）。在这种配置下，每个STM32 MCU的CAN_RX和CAN_TX线连接在一起并连接到公共总线。通常，这些连接会连接到像PCA82C251这样的CAN总线驱动芯片，具有单独的RX和TX连接。

电阻R1是建立隐性状态所需的上拉电阻，由于MCU是3.3伏设备，隐性状态接近+3.3伏。由于上拉电阻，我们将CAN_TX的GPIO配置为GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN（强调开漏）。其他MCU共享总线和接地，不要忘记将这些接地连接在一起，一个MCU发送的任何消息都会被其他所有MCU接收。

8. 会话运行

连接好所有设备后，将USB-TTL串口设备连接到PC并启动minicom（或等效程序），然后给面包板供电。主MCU应通过串口链接做出如下响应：

Welcome to minicom 2.7
OPTIONS:
Compiled on Sep 17 2016, 05:53:15.
Port /dev/cu.usbserial-A703CYQ5, 20:38:01
Press Meta-Z for help on special keys
Car simulation begun.
Menu:
  L - Turn on left signals
  R - Turn on right signals
  P - Turn on parking lights
  B - Activate brake lights
  Lower case the above to turn OFF
  V - Verbose mode (show received messages)
CAN Console Ready:
> _

串口链接显示一个菜单，允许你控制假设车辆的各种功能。如果一切正常，前后MCU板载LED（PC13）应大约每秒闪烁一次。如果看到它闪烁两次后停止，这表明总线连接有问题，需要重新检查接线。

以下是一些操作示例：
- 按大写“P”打开停车灯，控制台将返回温度：

CAN Console Ready:
> P
> Temperature: +24.73 C
>

按小写“p”关闭停车灯。
- 按大写“B”打开刹车灯，按小写“b”关闭。
- 按大写“L”或“R”分别打开左或右转向灯，按小写“l”或“r”关闭。也可以通过同时启用左右转向灯来打开四闪灯。
- 先按大写“L”打开左转向灯，再按大写“B”打开刹车灯，此时左转向灯闪烁，右后灯保持亮起表示刹车灯。关闭转向灯后，两个后刹车灯应保持亮起。

9. CAN消息

消息主要从主EU1发送到前后单元。每次灯光请求后，主单元还会向后部发送消息请求温度（设置RTR位请求回复）。当后部单元收到RTR标志为真的消息时，它会读取温度并将其传输到总线。所有其他单元都可以读取此消息，但只有主单元使用该信息。其他消息用于启用/禁用特定灯光，为了使信号灯同步闪烁，还会发送闪烁消息。

10. 同步性

信号灯闪烁时，人眼看起来非常同步，但实际使用示波器测量，信号灯的开关时间变化约为±850 μs，并且会随时间变化。所有MCU同时将消息接收到其外设中，但FreeRTOS进行抢占式调度，由于使用1 ms的滴答，计时可能会有最多1 ms的偏差。

对于工厂控制应用，如果需要更高的精度，可以采取以下方法：
- 增加定时器滴答频率（减少时间片）。
- 在应用程序软件中进行其他改进，例如ISR例程可以通知等待的任务。

具体方法取决于问题的重要性以及你愿意付出的努力。

11. CAN总线软件初始化

项目源模块位于以下目录：

$ cd ~/stm32f103c8t6/rtos/can

CAN总线外设设置中最具挑战性的部分是其配置和初始化。以下是 initialize_can() 函数的代码：

0090: void
0091: initialize_can(bool nart,bool locked,bool altcfg) {
0092:
0093:   rcc_periph_clock_enable(RCC_AFIO);
0094:   rcc_peripheral_enable_clock(&RCC_APB1ENR, RCC_APB1ENR_CAN1EN);
0095:
0096:   /******************************************************
0097:    * When:
0098:    *    altcfg     CAN_RX=PB8,  CAN_TX=PB9
0099:    *    !altcfg    CAN_RX=PA11, CAN_TX=PA12
0100:    *****************************************************/
0101:   if ( altcfg ) {
0102:       rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOB);
0103:       gpio_set_mode(GPIOB,GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN,
                GPIO_CAN_PB_TX);
0104:       gpio_set_mode(GPIOB,GPIO_MODE_INPUT,GPIO_CNF_INPUT_FLOAT,
                GPIO_CAN_PB_RX);
0105:
0106:       gpio_primary_remap(   // Map CAN1 to use PB8/PB9
0107:               AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAG_OFF_SW_OFF, // Optional
0108:               AFIO_MAPR_CAN1_REMAP_PORTB);
0109:   } else  {
0110:       rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
0111:       gpio_set_mode(GPIOA,GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN,GPIO_CAN_TX);
0112:       gpio_set_mode(GPIOA,GPIO_MODE_INPUT,
                GPIO_CNF_INPUT_FLOAT,GPIO_CAN_RX);
0113:
0114:       gpio_primary_remap( // Map CAN1 to use PA11/PA12
0115:           AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAG_OFF_SW_OFF, // Optional
0116:       AFIO_MAPR_CAN1_REMAP_PORTA);
0117:   }
0118:
0119:   can_reset(CAN1);
0120:   can_init(
0121:       CAN1,
0122:       false,    // ttcm=off
0123:       false,    // auto bus off management
0124:       true,     // Automatic wakeup mode.
0125:       nart,     // No automatic retransmission.
0126:       locked,   // Receive FIFO locked mode
0127:       false,    // Transmit FIFO priority (msg id)
0128:       PARM_SJW, // Resynch time quanta jump width (0..3)
0129:       PARM_TS1, // segment 1 time quanta width
0130:       PARM_TS2, // Time segment 2 time quanta width
0131:       PARM_BRP, // Baud rate prescaler for 33.333 kbs
0132:       false,    // Loopback
0133:       false);   // Silent
0134:
0135:   can_filter_id_mask_16bit_init(
0137:       0,                      // Filter bank 0
0138:       0x000 << 5, 0x001 << 5,    // LSB == 0
0139:       0x000 << 5, 0x001 << 5,    // Not used
0140:       0,                      // FIFO 0
0141:       true);
0142:
0143:   can_filter_id_mask_16bit_init(
0145:       1,                      // Filter bank 1
0146:       0x010 << 5, 0x001 << 5,    // LSB == 1 (no match)
0147:       0x001 << 5, 0x001 << 5,    // Match when odd
0148:       1,                      // FIFO 1
0149:       true);
0150:
0151:   canrxq = xQueueCreate(33,sizeof(struct s_canmsg));
0152:
0153:   nvic_enable_irq(NVIC_USB_LP_CAN_RX0_IRQ);
0154:   nvic_enable_irq(NVIC_CAN_RX1_IRQ);
0155:   can_enable_irq(CAN1,CAN_IER_FMPIE0|CAN_IER_FMPIE1);
0156:
0157:   xTaskCreate(can_rx_task,"canrx",400,NULL,
            configMAX_PRIORITIES-1,NULL);
0158: }

该函数按以下基本步骤进行初始化：
1. 启用AFIO子系统的时钟（第93行），以便选择用于CAN总线端口的GPIO。
2. 启用CAN总线外设的时钟（第94行），这是外设正常工作所必需的。
3. 根据布尔参数 altcfg 选择的配置，启用相应GPIO的时钟（第102或110行）。
4. 为CAN_TX选择GPIO输出模式（第103或111行）。
5. 为CAN_RX选择GPIO输入模式（第104或112行）。
6. 为CAN_TX和CAN_RX线选择AFIO映射（第106 - 108行或第114 - 116行）。
7. 调用 libopencm3 例程 can_reset() 初始化和配置CAN总线外设（第119 - 133行）。
8. 配置CAN过滤器组0（第135 - 141行），以确定某些消息的去向。
9. 配置CAN过滤器组1（第143 - 149行），以确定其他消息的去向。
10. 创建一个名为 canrxq 的FreeRTOS接收队列（第151行）。
11. 启用STM32 NVIC的两个中断通道（第153和154行）。
12. 为CAN总线外设的FIFO 0和FIFO 1启用FIFO消息挂起中断（第155行）。
13. 最后，创建一个接收任务（第157行）。

12. can_init() 函数参数详解

can_init() 函数由 libopencm3 提供，需要多个参数来配置设备，各参数如下：
| 参数 | 说明 |
| — | — |
| CAN1 | 指示使用哪个外设，对于STM32F103C8T6只有一个可用。 |
| false | 表示不使用时间触发通信模式。 |
| false | 表示不使用自动总线关闭模式（如果发生太多错误，总线会自动禁用）。 |
| true | 表示如果MCU进入睡眠状态，希望自动唤醒模式。 |
| nart | 当为 true 时，表示检测到错误时，CAN外设不自动重传。 |
| locked | 当为 true 时，接收FIFO满时，新消息不会取代现有消息（FIFO被锁定）；为 false 时，FIFO满时新消息可以取代现有消息。 |
| false | 表示根据消息ID为传出消息分配优先级，否则按时间顺序传输消息。 |
| PARM_SJW | 定义CAN同步参数。 |
| PARM_TS1 | 定义CAN同步参数。 |
| PARM_TS2 | 定义CAN同步参数。 |
| PARM_BRP | 在 canmsgs.h 中声明为78，使有效波特率为33.333 kbs。 |
| false | 禁用外设的回环功能。 |
| false | 表示以“正常模式”运行，在静默模式下，外设可以接收远程数据但不能发起消息。 |

13. CAN接收过滤器

CAN总线外设能够过滤感兴趣的消息。想象一个连接了大量设备的总线，会接收到大量的消息流量，通常并非每个节点都对所有消息感兴趣，处理每条消息会消耗CPU资源。

CAN外设支持两个FIFO队列来接收消息，通过过滤，本演示将偶数消息ID的消息安排到FIFO 0，奇数消息ID的消息安排到FIFO 1，这是通过配置过滤器组0和1实现的。

调用 can_filter_id_mask_16bit_init() （第135 - 141行）将一组消息安排到FIFO 0（第140行），此例中的参数2声明了过滤器组0的配置（第137行），最后一个参数 true 表示启用过滤器。

参数3（第138行）和4（第139行）定义了实际的过滤器ID值和要使用的位掩码，这是16位过滤器，但过滤器宽度为32位，因此使用两个相同的过滤器：
- 0x000 是应用掩码后要匹配的结果ID。
- 0x001 是在比较之前应用于ID的位掩码。

两个参数都必须左移5位，以便将11位标识符左对齐到16位字段中。

在第二个配置的过滤器（第143 - 149行）中，有相同的掩码值（ 0x001 ），但比较两个不同的ID值：
- 0x010 是“不匹配”的ID。
- 0x001 是掩码后的奇数ID。

14. 总结

通过本次演示，我们了解了CAN总线的基本概念和一个演示电路。运行演示证明了使用短CAN消息可以对其他MCU进行近乎实时的控制，同时也证明了共享总线的概念，其中没有主从设备。最后，我们看到STM32能够在单总线或差分总线模式下应用CAN通信（差分模式需要驱动芯片的帮助）。

整个过程的流程可以用以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[开始] --> B[软件构建]
    B --> C[UART接口配置]
    C --> D[MCU烧录]
    D --> E[演示总线连接]
    E --> F[会话运行]
    F --> G[CAN消息交互]
    G --> H[同步性处理]
    H --> I[CAN总线软件初始化]
    I --> J[CAN接收过滤器配置]
    J --> K[结束]

对于想要深入了解CAN总线应用的开发者来说，可以根据上述内容进一步探索和实践，通过调整参数和优化代码，实现更复杂和高效的CAN总线通信系统。