第六章 模块 5：CAN 总线通信与中断应用
6.1 CAN 总线硬件原理
6.1.2 硬件组成（STM32 + TJA1050）
CAN 总线通信需 “STM32 内置 CAN 控制器” 与 “TJA1050 收发器” 配合：
- STM32 CAN 控制器：实现 CAN 协议逻辑（帧组装、校验、仲裁），输出 TTL 电平信号；
- TJA1050 收发器：将 STM32 的 TTL 电平转换为 CAN 总线差分电平（抗干扰），并完成总线物理层驱动。
TJA1050 核心引脚定义表：
|
TJA1050 引脚 |
功能描述 |
电平特性 |
连接说明 |
|
VCC |
电源输入 |
5V（±0.5V） |
接外部 5V 电源（不可接 3.3V，需与 STM32 共地） |
|
GND |
地 |
- |
与 STM32、电源共地，减少地噪声干扰 |
|
TXD |
接收控制器发送的信号 |
TTL 电平（0V/3.3V） |
接 STM32 的 CAN_RX 引脚（注意：是 “接收” 控制器信号，故与 STM32 的接收端连接） |
|
RXD |
向控制器发送总线信号 |
TTL 电平（0V/3.3V） |
接 STM32 的 CAN_TX 引脚（向控制器 “发送” 总线数据，故与 STM32 的发送端连接） |
|
CAN_H |
CAN 总线高电平线 |
差分电平（1.7V~3.5V） |
接 CAN 总线的 CAN_H 线，需用双绞线（与 CAN_L 配对） |
|
CAN_L |
CAN 总线低电平线 |
差分电平（0.5V~1.5V） |
接 CAN 总线的 CAN_L 线，与 CAN_H 绞合以抗干扰 |
|
STB |
待机模式控制 |
0V = 正常模式，3.3V = 待机 |
接 GND（默认正常模式，无需待机时直接接地） |
6.1.3 硬件接线表（STM32F103C8T6 + TJA1050 + CAN 总线）
|
设备 / 模块 |
引脚 |
目标设备引脚 |
备注 |
|
STM32F103 |
PA11（CAN_RX） |
TJA1050 TXD |
STM32 接收 TJA1050 的总线数据（TTL 电平） |
|
STM32F103 |
PA12（CAN_TX） |
TJA1050 RXD |
STM32 向 TJA1050 发送控制数据（TTL 电平） |
|
STM32F103 |
GND |
TJA1050 GND |
强制共地，避免电平漂移导致通信失败 |
|
TJA1050 |
VCC |
5V 电源 |
需单独 5V 供电（可从 STM32 开发板 5V 引脚取电，但需注意电流≥100mA） |
|
TJA1050 |
CAN_H |
CAN 总线 CAN_H |
总线两端需各接 120Ω 终端电阻（小车端和接收端各一个，中间节点无需接） |
|
TJA1050 |
CAN_L |
CAN 总线 CAN_L |
与 CAN_H 用双绞线绞合（每米绞合 30~50 次），减少电磁干扰 |
|
TJA1050 |
STB |
GND |
固定为正常模式，禁止待机 |
|
CAN 总线终端 |
120Ω 电阻 |
CAN_H-CAN_L |
仅在总线 “两端” 节点（如小车和上位机适配器）的 CAN_H 与 CAN_L 之间并联电阻 |
6.2 CAN 控制器配置（STM32 标准库）
STM32F103 的 CAN 控制器挂载在 APB1 总线（时钟频率 36MHz），需先配置 “工作模式、波特率、过滤器、中断” 四部分，核心是波特率计算与过滤器配置（决定能否正确接收数据）。
6.2.1 CAN 工作模式
|
工作模式 |
功能描述 |
应用场景 |
|
初始化模式（INIT） |
配置 CAN 控制器参数（波特率、过滤器），此时不参与总线通信 |
初始化阶段（程序启动时） |
|
正常模式（NORMAL） |
正常参与总线通信，支持发送 / 接收数据，参与总线仲裁（优先级判断） |
小车正常运行时（发送转速、姿态数据，接收控制指令） |
|
静默模式（SILENT） |
仅接收数据，不发送数据，不参与总线仲裁（用于监听总线，不干扰其他节点） |
调试阶段（仅监听总线数据，不发送指令） |
|
回环模式（LOOPBACK） |
发送的数据直接回收到自身接收 FIFO，不经过物理总线（用于自测试，无需外部硬件） |
软件自测试（验证 CAN 控制器是否正常，无需连接 TJA1050 和总线） |
6.2.2 波特率计算（关键参数）
CAN 波特率由 “APB1 时钟频率”“预分频系数（BRP）”“时间段 1（BS1）”“时间段 2（BS2）” 决定，公式如下：
波特率 = APB1 时钟频率 / [BRP × ( BS1 + BS2 + 1) ]
- APB1 时钟频率：STM32F103 默认 36MHz（需确认系统时钟配置，无分频时 APB1=36MHz）；
- BRP（预分频系数）：取值 1~1024，决定时钟分频后的基础周期；
- BS1（同步段 + 传播段 + 相位缓冲段 1）：取值 1~16（对应 CAN_BS1_1tq ~ CAN_BS1_16tq）；
- BS2（相位缓冲段 2）：取值 1~8（对应 CAN_BS2_1tq ~ CAN_BS2_8tq）。
常用波特率配置表（APB1=36MHz）
|
目标波特率 |
BRP（预分频） |
BS1（时间段 1） |
BS2（时间段 2） |
计算验证（36MHz / [BRP×(BS1+BS2+1)]） |
配置代码（标准库） |
|
250kbps |
8 |
CAN_BS1_13tq |
CAN_BS2_2tq |
36e6 / [8×(13+2+1)] = 36e6/(8×16)=281.25kbps？→ 修正：BRP=9 |
36e6/[9×(13+2+1)]=36e6/(9×16)=250kbps |
|
500kbps |
4 |
CAN_BS1_13tq |
CAN_BS2_2tq |
36e6/[4×(13+2+1)]=36e6/(4×16)=562.5kbps？→ 修正 BRP=5 |
36e6/[5×16]=450kbps？→ 最终调整：BRP=3，BS1=CAN_BS1_11tq，BS2=CAN_BS2_4tq → 36e6/[3×(11+4+1)]=36e6/(3×16)=750kbps？→ 正确配置：BRP=6，BS1=CAN_BS1_8tq，BS2=CAN_BS2_3tq → 36e6/[6×(8+3+1)]=36e6/(6×12)=500kbps |
|
1Mbps |
3 |
CAN_BS1_8tq |
CAN_BS2_3tq |
36e6/[3×(8+3+1)]=36e6/(3×12)=1Mbps |
CAN_InitStruct.CAN_BRP=2;CAN_InitStruct.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq;CAN_InitStruct.CAN_BS2=CAN_BS2_3tq; |
小车场景推荐250kbps：抗干扰能力强，适合 10 米内短距离通信，波特率配置代码以 250kbps 为例。
6.2.3 CAN 过滤器配置（关键！不配置无法接收数据）
STM32 CAN 控制器有 14 个过滤器，用于过滤无关 CAN 帧（仅接收需要的数据），支持 “列表模式” 和 “掩码模式”，小车场景推荐32 位掩码模式（接收所有标准帧，简化调试）。
过滤器核心参数表：
|
参数 |
配置值 / 方式 |
作用说明 |
|
过滤器编号 |
0（CAN_FilterNumber_0） |
选择第 0 个过滤器（共 14 个，0~13，可任选） |
|
过滤器模式 |
CAN_FilterMode_IdMask（掩码模式） |
通过 “过滤器 ID + 掩码” 决定接收范围，灵活度高 |
|
过滤器尺度 |
CAN_FilterScale_32bit（32 位） |
同时过滤 ID 和掩码（标准帧 11 位 ID，扩展帧 29 位 ID，32 位兼容两种帧） |
|
过滤器 ID |
0x00000000 |
接收所有标准帧时设为 0（若需指定 ID，需按标准帧格式设置前 11 位） |
|
过滤器掩码 |
0x000007FF |
标准帧掩码：前 11 位为 1（精确匹配 ID），后 21 位为 0（忽略）→ 此处设 0x000007FF 表示接收所有标准帧 |
|
过滤器 FIFO |
CAN_FilterFIFOAssignment_0（FIFO0） |
匹配的帧存入接收 FIFO0（共两个 FIFO，0 和 1，任选） |
|
过滤器使能 |
ENABLE |
使能过滤器（不使能则无法过滤，接收不到数据） |
6.3 软件实现（标准库，250kbps，接收中断）
6.3.1 软件模块划分
|
模块 |
功能 |
核心函数 |
|
CAN 初始化 |
配置工作模式、波特率、过滤器，使能接收中断 |
CAN_InitConfig()、CAN_FilterConfig()、NVIC_CAN_Init() |
|
CAN 数据发送 |
组装 CAN 数据帧（ID、数据长度、数据），发送到总线 |
CAN_SendData() |
|
CAN 接收中断服务函数 |
响应 FIFO 非空中断，读取接收数据，存入缓冲区 |
USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler() |
|
CAN 数据解析 |
解析接收的 CAN 数据（如电机转速指令、姿态查询指令），映射到小车控制 |
CAN_ParseData() |
|
小车数据封装 |
封装电机转速、MPU6050 姿态数据为 CAN 帧，用于发送到总线 |
CAN_PackCarData() |
6.3.2 核心代码实现
1. 宏定义与全局变量
#include "stm32f10x.h"
#include "can.h"
#include "motor.h"
#include "mpu6050.h"
// CAN参数（250kbps，标准帧，FIFO0接收中断）
#define CANx CAN1
#define CAN_CLK RCC_APB1Periph_CAN1
#define CAN_RX_PIN GPIO_Pin_11 // PA11（CAN_RX）
#define CAN_TX_PIN GPIO_Pin_12 // PA12（CAN_TX）
#define CAN_GPIO_PORT GPIOA
#define CAN_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
// CAN接收缓冲区（存储接收的8字节数据）
uint8_t can_rx_data[8] = {0};
uint8_t can_rx_flag = 0; // 接收完成标志（1：有新数据）
// CAN发送数据结构体（小车状态：电机转速+MPU6050姿态）
typedef struct
{
int16_t left_motor_speed; // 左电机转速（r/min，16位）
int16_t right_motor_speed;// 右电机转速（r/min，16位）
float accel_x; // 加速度X轴（g，32位float）
float gyro_z; // 角速度Z轴（°/s，32位float）
} CAN_CarState;
CAN_CarState can_car_state; // 小车状态变量
2. CAN GPIO 与控制器初始化
// CAN GPIO初始化（PA11=CAN_RX，PA12=CAN_TX）
void CAN_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// 使能GPIOA和CAN时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(CAN_GPIO_CLK, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(CAN_CLK, ENABLE);
// 配置CAN_RX（PA11）为浮空输入（接收TJA1050数据）
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = CAN_RX_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入（避免悬空干扰）
GPIO_Init(CAN_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 配置CAN_TX（PA12）为复用推挽输出（发送数据到TJA1050）
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = CAN_TX_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(CAN_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
// CAN控制器初始化（250kbps，正常模式）
void CAN_InitConfig(void)
{
CAN_InitTypeDef CAN_InitStruct;
CAN_GPIO_Init(); // 先初始化GPIO
// 1. 进入初始化模式（配置参数前必须进入INIT模式）
CAN_InitStruct.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal; // 正常模式（可发送/接收）
// CAN_InitStruct.CAN_Mode = CAN_Mode_LoopBack; // 回环模式（自测试用）
// 2. 配置波特率：250kbps（APB1=36MHz）
CAN_InitStruct.CAN_SJW = CAN_SJW_1tq; // 同步跳转宽度：1个时间量子
CAN_InitStruct.CAN_BS1 = CAN_BS1_13tq; // 时间段1：13个时间量子
CAN_InitStruct.CAN_BS2 = CAN_BS2_2tq; // 时间段2：2个时间量子
CAN_InitStruct.CAN_Prescaler = 9; // 预分频系数：9（36MHz / (9*(13+2+1)) = 250kbps）
// 3. 其他配置（默认）
CAN_InitStruct.CAN_TTCM = DISABLE; // 禁止时间触发通信模式
CAN_InitStruct.CAN_ABOM = ENABLE; // 自动离线管理（异常时自动恢复）
CAN_InitStruct.CAN_AWUM = DISABLE; // 禁止自动唤醒（需手动唤醒）
CAN_InitStruct.CAN_NART = DISABLE; // 使能自动重发（发送失败时重发）
CAN_InitStruct.CAN_RFLM = DISABLE; // 禁止接收FIFO锁定（满时覆盖旧数据）
CAN_InitStruct.CAN_TXFP = DISABLE; // 禁止发送优先级由ID决定（按发送顺序）
// 4. 初始化CAN控制器
while(CAN_Init(CANx, &CAN_InitStruct) == ERROR); // 等待初始化成功
}
// CAN过滤器配置（32位掩码模式，接收所有标准帧）
void CAN_FilterConfig(void)
{
CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStruct;
// 1. 使能过滤器（必须先使能才能配置）
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterNumber = 0; // 选择第0个过滤器
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask; // 掩码模式
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; // 32位尺度
// 2. 配置过滤器ID和掩码（接收所有标准帧）
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterIdHigh = 0x0000; // 32位ID高16位（标准帧ID前11位为0）
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterIdLow = 0x0000; // 32位ID低16位
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; // 32位掩码高16位
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterMaskIdLow = 0x07FF; // 32位掩码低16位（前11位为1，接收所有标准帧）
// 3. 配置FIFO和使能
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterFIFOAssignment = 0; // 匹配帧存入FIFO0
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterActivation = ENABLE; // 使能过滤器
CAN_FilterInitStruct.CAN_FilterBank = 0; // 过滤器组（F103只有1组，固定为0）
// 4. 初始化过滤器
CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStruct);
}
// CAN接收中断NVIC配置（FIFO0非空中断）
void NVIC_CAN_Init(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
// 配置CAN接收中断通道（USB_LP_CAN1_RX0_IRQn：FIFO0非空中断）
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; // 抢占优先级2（按之前规划）
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 子优先级1
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
// 使能CAN FIFO0非空中断（接收到数据时触发）
CAN_ITConfig(CANx, CAN_IT_FMP0, ENABLE);
}
// CAN初始化总函数（调用一次即可）
void CAN_AllInit(void)
{
CAN_InitConfig();
CAN_FilterConfig();
NVIC_CAN_Init();
}
3. CAN 数据发送（小车状态上传）
将电机转速、MPU6050 姿态数据封装为 CAN 帧（标准帧 ID=0x001，数据长度 8 字节），发送到总线：
// 封装小车状态为CAN发送数据（8字节，适配CAN数据帧最大长度）
void CAN_PackCarData(void)
{
// 1. 填充小车状态数据（从全局变量读取）
can_car_state.left_motor_speed = motor_speed_left;
can_car_state.right_motor_speed = motor_speed_right;
can_car_state.accel_x = mpu6050_data.accel_x_g;
can_car_state.gyro_z = mpu6050_data.gyro_z_dps;
// 2. 将16位/32位数据拆分为8位字节（小端模式，兼容大多数接收端）
uint8_t send_buf[8] = {0};
// 左电机转速（int16_t，2字节）
send_buf[0] = (uint8_t)(can_car_state.left_motor_speed & 0xFF); // 低8位
send_buf[1] = (uint8_t)((can_car_state.left_motor_speed >> 8) & 0xFF); // 高8位
// 右电机转速（int16_t，2字节）
send_buf[2] = (uint8_t)(can_car_state.right_motor_speed & 0xFF);
send_buf[3] = (uint8_t)((can_car_state.right_motor_speed >> 8) & 0xFF);
// 加速度X（float，4字节）
memcpy(&send_buf[4], &can_car_state.accel_x, 4); // 直接内存拷贝（float占4字节）
// 角速度Z（float，4字节）→ 此处仅用8字节，故暂存前4字节，实际需扩展为12字节（分两帧发送）
// 注：CAN数据帧最大8字节，若数据超8字节需分帧，此处简化为只发加速度X
}
// CAN发送数据帧（标准帧，ID=0x001，数据长度=8字节）
uint8_t CAN_SendData(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len)
{
CAN_TxHeaderTypeDef CAN_TxHeader; // 发送帧头
uint8_t tx_mailbox; // 发送邮箱（0~2，CAN有3个发送邮箱）
uint32_t timeout = 1000; // 超时时间（防止死等）
// 1. 配置发送帧头（标准帧）
CAN_TxHeader.StdId = id; // 标准帧ID（0x001~0x7FF）
CAN_TxHeader.ExtId = 0x00; // 扩展帧ID（不用，设为0）
CAN_TxHeader.RTR = CAN_RTR_Data; // 数据帧（非远程帧）
CAN_TxHeader.IDE = CAN_ID_STD; // 标准帧
CAN_TxHeader.DLC = len; // 数据长度（1~8字节）
CAN_TxHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE; // 不包含时间戳
// 2. 等待发送邮箱空闲，并发送数据
while(CAN_GetTxMailBoxFreeLevel(CANx) == 0 && timeout--);
if(timeout == 0)
return 1; // 超时，发送失败
// 3. 发送数据（标准库函数：CAN_AddTxMessage）
CAN_AddTxMessage(CANx, &CAN_TxHeader, data, &tx_mailbox);
// 4. 等待发送完成（可选，非必需，因CAN支持自动重发）
timeout = 1000;
while(CAN_GetFlagStatus(CANx, CAN_FLAG_TXOK0 + tx_mailbox) == RESET && timeout--);
if(timeout == 0)
return 2; // 发送未完成，可能总线错误
return 0; // 发送成功
}
// 小车状态上传函数（每500ms调用一次）
void CAN_UploadCarState(void)
{
uint8_t send_buf[8];
CAN_PackCarData(); // 封装数据
// 发送数据帧（ID=0x001，数据长度8字节）
uint8_t ret = CAN_SendData(0x001, send_buf, 8);
if(ret == 0)
printf("CAN发送成功：左速=%d，右速=%d，accel_x=%.2fg\r\n",
motor_speed_left, motor_speed_right, mpu6050_data.accel_x_g);
else if(ret == 1)
printf("CAN发送超时（邮箱满）\r\n");
else
printf("CAN发送失败（总线错误）\r\n");
}
4. CAN 接收中断服务函数（处理控制指令）
接收到 CAN 指令（如 ID=0x002 的电机转速指令）后，解析数据并控制小车：
// CAN FIFO0非空中断服务函数（接收到数据时触发）
void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
CAN_RxHeaderTypeDef CAN_RxHeader; // 接收帧头
uint8_t rx_len; // 接收数据长度
// 检查FIFO0是否有数据（FMP0：FIFO0消息 pending 数量）
if(CAN_GetITStatus(CANx, CAN_IT_FMP0) != RESET)
{
// 1. 读取接收帧头和数据
CAN_GetRxMessage(CANx, CAN_FIFO0, &CAN_RxHeader, can_rx_data, &rx_len);
// 2. 根据帧ID判断指令类型（仅处理ID=0x002的电机控制指令）
if(CAN_RxHeader.StdId == 0x002 && rx_len == 4)
{
// 解析电机控制指令（4字节：左电机转速2字节，右电机转速2字节）
int16_t cmd_left_speed = (int16_t)((can_rx_data[1] << 8) | can_rx_data[0]); // 高8位+低8位
int16_t cmd_right_speed = (int16_t)((can_rx_data[3] << 8) | can_rx_data[2]);
// 更新目标转速（控制电机）
target_speed_left = cmd_left_speed;
target_speed_right = cmd_right_speed;
printf("CAN接收电机指令：左速=%d，右速=%d\r\n", cmd_left_speed, cmd_right_speed);
}
// 处理舵机控制指令（ID=0x003，数据长度2字节）
else if(CAN_RxHeader.StdId == 0x003 && rx_len == 2)
{
uint16_t cmd_servo_angle = (uint16_t)((can_rx_data[1] << 8) | can_rx_data[0]);
Servo_SetAngle(cmd_servo_angle);
printf("CAN接收舵机指令：角度=%d°\r\n", cmd_servo_angle);
}
// 3. 置位接收标志（主程序可查询）
can_rx_flag = 1;
// 4. 释放FIFO0（读取后必须释放，否则无法接收下一帧）
CAN_FIFORelease(CANx, CAN_FIFO0);
}
}
5. 主程序整合（CAN + 小车控制）
将 CAN 模块与电机、PS2、MPU6050 整合，实现 “手柄控制 + CAN 上传状态 + CAN 接收指令”：
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "ps2.h"
int main(void)
{
// 1. 基础初始化
delay_init();
USART1_Init(115200);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
// 2. 外设初始化（按依赖顺序）
MPU6050_Init(); // MPU6050（姿态）
Motor_GPIO_Init(); // 电机GPIO
TIM2_Encoder_Init(); // 电机编码器
TIM3_Encoder_Init();
NVIC_Encoder_Init();
TIM4_PWM_Init(); // 电机PWM
Motor_PID_Init(); // 电机PID
TIM1_PWM_Init(); // 舵机
PS2_CS_Init(); // PS2手柄
SPI2_Init();
NVIC_SPI2_Init();
CAN_AllInit(); // CAN总线
printf("阿克曼小车全功能初始化完成！\r\n");
printf("功能：1.PS2手柄控制 2.CAN上传状态 3.CAN接收指令\r\n");
ps2_parse_flag = 1;
uint32_t can_upload_tick = 0; // CAN上传定时器（500ms一次）
while(1)
{
// 3. PS2手柄控制（每10ms接收一次）
PS2_StartReceive();
if(ps2_parse_flag == 1)
{
PS2_ParseData();
PS2_MapToCarCtrl();
}
delay_ms(10);
// 4. CAN状态上传（每500ms一次，避免总线拥堵）
if(GetTickCount() - can_upload_tick > 500)
{
CAN_UploadCarState();
can_upload_tick = GetTickCount();
}
// 5. 处理CAN接收数据（主程序查询，可选）
if(can_rx_flag == 1)
{
can_rx_flag = 0; // 清除标志
// 此处可添加额外数据处理逻辑（如打印接收数据）
}
}
}
注：GetTickCount()需自行实现（基于 SysTick 定时器，记录系统运行毫秒数），代码如下：
// SysTick定时器初始化（1ms中断）
void SysTick_Init(void)
{
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); // 72MHz/1000=72000，1ms中断一次
}
volatile uint32_t tick_count = 0;
// SysTick中断服务函数（1ms加1）
void SysTick_Handler(void)
{
tick_count++;
}
// 获取系统运行毫秒数
uint32_t GetTickCount(void)
{
return tick_count;
}
6.3.3 CAN 通信测试（硬件 + 软件）
需准备USB-CAN 适配器（如周立功 USBCAN-II）和CAN 分析仪软件（如 CANoe、USBCAN-III 软件），测试步骤如下：
|
测试步骤 |
操作内容 |
验证点 |
|
1. 硬件连接 |
1. 小车 TJA1050 的 CAN_H/CAN_L 接 USB-CAN 适配器的 CAN_H/CAN_L；2. 小车和适配器均接 120Ω 终端电阻；3. 适配器 USB 接电脑，小车上电。 |
1. TJA1050 电源灯亮（VCC 正常）；2. 适配器 CAN 灯闪烁（总线有信号）。 |
|
2. 软件配置 |
1. 打开 CAN 分析仪软件，选择 “USB-CAN 设备”；2. 配置波特率 = 250kbps，数据位 = 8，校验 = 无，停止位 = 1；3. 启动 CAN 总线（“开始接收”）。 |
软件显示 “总线已连接”，无错误帧（Error Frame）。 |
|
3. 发送测试 |
1. 在软件中发送 “标准帧 ID=0x002，数据 = 0x32,0x00,0x32,0x00”（左速 = 50，右速 = 50）；2. 观察小车动作。 |
1. 小车电机前进（转速 50r/min）；2. 软件显示 “发送成功”，无重发。 |
|
4. 接收测试 |
1. 用 PS2 手柄控制小车（前进 / 转向）；2. 在软件中观察接收数据（ID=0x001）。 |
1. 软件接收区显示 8 字节数据，解析后与小车实际转速 / 姿态一致；2. 每 500ms 接收一帧。 |
6.3.4 常见问题与解决方案
|
问题现象 |
可能原因 |
解决方案 |
|
CAN 总线无数据（软件显示无接收） |
1. 终端电阻未接（总线阻抗不匹配，信号反射）2. CAN_H/CAN_L 接反（差分信号错误）3. TJA1050 供电不足（5V 电压 < 4.5V） |
1. 在小车和适配器两端各接 120Ω 电阻（CAN_H 与 CAN_L 之间）2. 交换 CAN_H/CAN_L 接线3. 测量 TJA1050 VCC 电压，确保≥4.5V（更换电源） |
|
发送失败（返回超时） |
1. 波特率不匹配（小车 250kbps，软件 500kbps）2. 过滤器配置错误（未接收目标 ID）3. 总线忙（多个节点同时发送） |
1. 统一所有节点波特率（需重新编译小车程序）2. 检查过滤器 ID 和掩码（确保接收目标 ID）3. 增加发送间隔（如从 100ms 改为 500ms） |
|
接收数据乱码（解析值错误） |
1. 数据字节序错误（小端 / 大端不匹配）2. 数据长度错误（发送 8 字节，接收 4 字节）3. 浮点数据解析错误（字节数不足） |
1. 统一字节序（小车用小端，软件也设为小端）2. 确保发送和接收的数据长度一致（如均为 8 字节）3. 浮点数据需 4 字节完整接收（分帧时标记帧序号） |
|
CAN 控制器初始化失败 |
1. APB1 时钟频率错误（非 36MHz，导致波特率计算错误）2. GPIO 复用配置错误（PA12 未设为复用推挽） |
1. 检查系统时钟配置（确保 APB1 无分频，频率 = 36MHz）2. 确认 CAN_TX 引脚（PA12）模式为GPIO_Mode_AF_PP |
第七章 阿克曼小车系统整合与优化
前面章节已实现单个模块的功能，本章将整合所有模块（MPU6050 + 舵机 + 电机 + PS2+CAN），并针对 “稳定性、实时性、抗干扰” 进行优化，最终实现工业级小车控制系统。
7.1 系统架构与模块交互
7.1.1 硬件架构图（分层设计）
7.1.2 模块交互时序（中断优先级主导）
|
中断源 |
优先级 |
触发周期 |
交互模块 |
|
编码器定时器更新中断 |
0（最高） |
100ms |
电机模块（计算转速→PID 调节→PWM 输出） |
|
MPU6050 数据就绪中断 |
1 |
10ms |
姿态模块（读取姿态→滤波→CAN 上传） |
|
PS2 SPI 接收中断 |
2 |
10ms |
控制模块（接收摇杆指令→映射为电机 / 舵机目标值） |
|
CAN 接收中断 |
2 |
不定时 |
通信模块（接收外部指令→覆盖 PS2 目标值，优先级低于 PS2） |
|
舵机定时器更新中断 |
3 |
20ms |
执行模块（平滑调整舵机角度→PWM 输出） |
规则：高优先级中断可打断低优先级中断（如编码器中断可打断舵机中断），同优先级按触发顺序执行（PS2 和 CAN 同优先级，先触发先执行）。
7.2 系统优化方案
7.2.1 实时性优化（减少 CPU 负载）
- 中断服务函数轻量化：仅做 “数据读取 + 标志置位”，复杂处理（如滤波、PID）放到主程序循环（例：MPU6050 中断仅读取数据，滤波在主程序执行）；
- 定时器合并：用一个定时器（如 TIM6）管理多个周期性任务（如 PS2 接收 10ms、CAN 上传 500ms），减少定时器数量；
- 禁用无用中断：如未使用 CAN 发送中断，需关闭CAN_IT_TX_MAILBOX_EMPTY，避免空中断占用 CPU。
7.2.2 稳定性优化（抗干扰）
硬件抗干扰：
- 电源端并联电容（100uF 电解电容 + 0.1uF 陶瓷电容），滤除电源噪声；
- 编码器 / 舵机信号线套屏蔽层（一端接地），减少电磁干扰；
- 电机电源线与信号线分开布线（避免电机电流干扰信号）。
软件抗干扰：
- 数据校验：CAN 发送时添加校验和（如最后 1 字节为前 7 字节异或），接收时验证；
- 超时处理：PS2 手柄 3 秒无数据时，自动停止电机（避免失控）；
- 姿态补偿：用 MPU6050 的 Z 轴角速度修正舵机角度（小车跑偏时自动回正）。
7.2.3 功能扩展（基于 CAN 总线）
- 多小车协同：多个小车接入同一 CAN 总线，通过不同 ID 区分（小车 1=0x001，小车 2=0x002），上位机发送广播指令控制所有小车；
- 远程监控：CAN 总线连接 WiFi 模块（如 ESP8266-CAN），将小车状态上传到云端（需适配 MQTT 协议）；
- 传感器扩展：通过 CAN 总线添加超声波传感器（测距）、红外传感器（避障），无需修改小车主程序（仅需在接收端解析新 ID 指令）。
7.3 完整系统测试用例
|
测试用例 |
测试步骤 |
预期结果 |
|
1. 上电初始化 |
1. 小车上电；2. 打开串口助手（115200 波特率）。 |
1. 串口打印 “全功能初始化完成”；2. 舵机自动回中位（90°），电机无动作。 |
|
2. PS2 手柄控制 |
1. 左摇杆向前推（X=1023）；2. 右摇杆向左推（X=0）；3. 按 START 键。 |
1. 电机前进（转速 50r/min）；2. 舵机左转到 45°；3. 电机停止，舵机回中位。 |
|
3. CAN 指令控制 |
1. 软件发送 CAN 指令（ID=0x002，数据 = 0x1E,0x00,0x1E,0x00）；2. 发送 ID=0x003，数据 = 0x5A,0x00。 |
1. 电机前进（转速 30r/min）；2. 舵机转到 90°（0x5A=90）。 |
|
4. 姿态上传 |
1. 手动倾斜小车；2. 观察 CAN 软件接收数据（ID=0x001）。 |
1. CAN 接收数据中的 accel_x 值随倾斜角度变化；2. 无丢帧（每 500ms 一帧）。 |
|
5. 抗干扰测试 |
1. 电机满速运行（50r/min）；2. 观察编码器转速与目标值偏差。 |
1. 转速偏差≤5%（PID 稳定）；2. 无明显抖动（滤波生效）。 |
7.4 常见系统级问题与解决方案
|
问题现象 |
可能原因 |
解决方案 |
|
小车失控（电机乱转） |
1. PS2 手柄未配对（无指令，目标值异常）2. 编码器接线错误（转速计算错误）3. PID 参数过大（震荡） |
1. 重新配对 PS2 手柄，3 秒无数据自动停车2. 检查编码器 A/B 相接线（PA0/PA1）3. 减小 PID 的 Kp（如从 2.0 改为 1.5） |
|
CAN 上传数据频率不稳定 |
1. 主程序循环阻塞（如 delay_ms (100) 过长）2. SysTick 定时器被中断打断（未优先级保护） |
1. 用定时器中断替代 delay_ms（非阻塞延时）2. 配置 SysTick 为最高优先级（抢占优先级 0） |
|
舵机与电机动作不同步 |
1. 舵机调整步长过大（SERVO_ADJ_STEP=5）2. 电机 PID 响应过快（Kp 过大） |
1. 减小舵机步长（设为 1°）2. 降低电机 PID 响应速度（Kp 减小，Ki 增大） |
第八章 总结与扩展学习
8.1 学习总结
本文通过阿克曼小车实战，覆盖 STM32 中断核心应用场景，关键知识点总结如下：
- 中断本质：通过优先级管理实现 “实时响应”，避免 CPU 轮询（如编码器 100ms 中断确保转速反馈及时）；
- 外设共性：无论 I2C（MPU6050）、SPI（PS2）、CAN，均需 “硬件接线→时钟使能→外设配置→中断使能→数据处理” 五步流程；
- 闭环控制：电机转速控制需 “编码器反馈（感知）+PID 调节（控制）+PWM 输出（执行）”，缺一不可；
- 抗干扰设计：硬件（屏蔽层、电容）+ 软件（校验、超时）结合，是工业级系统的关键。
8.2 扩展学习方向
- 操作系统移植：将裸机程序移植到 RT-Thread/FreeRTOS，用任务管理替代中断优先级（更适合多任务场景）；
- 高级姿态控制：用卡尔曼滤波替代滑动平均，结合 PID 实现小车自平衡（需增加陀螺仪权重）；
- 视觉融合：添加摄像头（如 OV7725），通过 OpenCV 识别路径，自动控制舵机（视觉导航）；
- CAN FD 升级：用 CAN FD（灵活数据速率）替代传统 CAN，支持 64 字节数据帧（无需分帧，适合多传感器数据上传）。
8.3 资料推荐
- 手册：《STM32F103xx 参考手册》（重点看 CAN、TIM、SPI 章节）、《TJA1050 数据手册》；
- 工具：Keil MDK（编程）、CANoe（CAN 调试）、串口助手（调试）；
扫一扫
2491
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
