STM32CUBEMX-CAN通讯

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2023-09-07 17:45:40 首次发布

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本文围绕STM32的CAN通讯展开，先介绍CAN通讯原理，包括协议特点、帧类型、总线仲裁等；接着阐述STM32 CAN控制器，如控制器特点、标识符筛选器等；然后说明STM32 CUBEMX的配置步骤；最后进行代码讲解，涵盖CAN开启、发送、筛选器函数及main函数。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1、CAN通讯原理

1.1 基本概述

CAN（Controller Area Network）控制器区域网络是ISO国际标准化的串行通信协议，具有很高的可靠性，广泛应用于：汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，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。

2.2 CAN协议特点

多主控制；
系统柔软性；
速度快，距离远；
具有错误检测、错误通知和错误恢复功能；
故障封闭功能；
连接节点多；

2.3 ISO11898标准下的物理层特征

CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，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。
显性电平对应逻辑：0，CAN_H和CAN_L之差为2.5V左右。
显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。另外，在CAN总线的起止端都有一个120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射。
在这里插入图片描述

2.4 CAN协议帧类型

为了更有效地控制通信，CAN共规定了5种类型的帧，帧也称为报文，它们的类型及用途如下：

帧类型	帧用途
数据帧	用于发送单元向接收单元传送数据的帧
遥控帧	用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求的数据帧
错误帧	用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
过载帧	用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

上面五种帧类型中，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式：

标准格式有11 个位的标识符（ID），扩展格式有29 个位的ID 。

其中，最常用，也是最复杂的是数据帧，接着就看看数据帧，数据帧一般由以下 7 个段构成：

(1) 帧起始。表示数据帧开始的段。
(2) 仲裁段。表示该帧优先级的段。
(3) 控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
(4) 数据段。数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据。
(5) CRC 段。检查帧的传输错误的段。
(6) ACK 段。表示确认正常接收的段。
(7) 帧结束。表示数据帧结束的段。
数据帧的具体结构，如下图所示(D表示显性电平，R表示隐形电平)：

2.5 总线仲裁介绍

同时多个单元发送数据时，总线仲裁过程：
总线仲裁图片
上图中，单元 1 和单元 2 同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的，故无法区分优先级，直到 T 时刻，单元 1 输出隐性电平，而单元 2 输出显性电平，此时单元 1仲裁失利，立刻转入接收状态工作，不再与单元 2 竞争，而单元 2 则顺利获得总线使用权，继续发送自己的数据。这就实现了仲裁，让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。

遵循以下规律：

(1) 总线空闲时，最先发送的单元获得发送优先权，一但发送，其他单元无法抢占。
(2) 如果有多个单元同时发送，则连续输出显性电平多的单元，具有较高优先级。

2.6 位时序

CAN总线通讯协议的每一个数据帧可以看作一连串的电平信号，每一个电平信号代表一位（一个字节8位的位），所以一帧中包含了很多个位，由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一位又分为4段，同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段 1（PBS1）、相位缓冲段 2（PBS2）。分解后最小的时间单位是 Tq，而一个完整的位由 8~25 个 Tq 组成。
位速率：由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位一般可以分为如下四段：

(1) 同步段（SS）
(2) 传播时间段（PTS）
(3) 相位缓冲段 1（PBS1）
(4) 相位缓冲段 2（PBS2）

这些段又由可称为 Time Quantum（以下称为 Tq）的最小时间单位构成，1 位分为 4 个段，每个段又由若干个 Tq 构成，这称为位时序。
位时间=1/波特率，因此，知道位时间，我们就可以知道波特率1 位由多少个 Tq 构成、每个段又由多少个 Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。各段的作用和 Tq 数如表所示：
位时序图片 CAN通讯1 个位的构成如下图所示：
位时序采样点上图的采样点，是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。根据这个位时序，我们就可以计算 CAN 通信的波特率了。图中采样时间加大或减少量的最大值就是SJW。

2、STM32 CAN控制器

2.1 STM32 CAN控制器简介

STM32F1的bxCAN是基本扩展CAN(Basic Extended CAN)的缩写，它支持CAN协议2.0A和2.0B。它的设计目标是，以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求(优先级特性可软件配置)。
对于安全紧要的应用，bxCAN提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。

STM32F1的bxCAN主要特点有：
(1) 支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式
(2) 波特率最高可达1兆位/秒
(3) 支持时间触发通信功能
发送
3个发送邮箱
(1) 发送报文的优先级特性可软件配置
(2) 记录发送SOF时刻的时间戳
接收
(1) 3级深度的2个接收FIFO
(2) 可变的过滤器组：
─ 在互联型产品中，CAN1和CAN2分享28个过滤器组
─ 其它STM32F103xx系列产品中有14个过滤器组
(3) 标识符列表
(4) FIFO溢出处理方式可配置
(5) 记录接收SOF时刻的时间戳
时间触发通信模式
(1) 禁止自动重传模式
(2) 16位自由运行定时器
(3) 可在最后2个数据字节发送时间戳
管理
(1) 中断可屏蔽
(2) 邮箱占用单独1块地址空间，便于提高软件效率
双CAN
(1) CAN1：是主bxCAN，它负责管理在从bxCAN和SRAM存储器之间的通信
(2) CAN2：是从bxCAN，它不能直接访问SRAM存储器
(3) 这2个bxCAN模块共享SRAM存储器控制器局域网(bxCAN)

2.2 标识符筛选器

CAN的标识符不表示目的地址而是表示发送优先级。接收节点根据标识符的值，来决定是否接收对应消息。
STM32 CAN控制器，提供了28个可配置的筛选器组（F1仅互联型才有28个，其他的只有14个），可降低CPU处理CAN通信的开销。
STM32 CAN控制器每个筛选器组由2个32位寄存器组成（CAN_FxR1和CAN_FxR2，x=0~27）。根据位宽不同，每个筛选器组可提供：

1个32位筛选器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位
2个16位筛选器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

筛选器可配置为：屏蔽位模式和标识符列表模式。
屏蔽位模式： 在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。
标识符列表模式： 在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此，不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用2个标识符寄存器。接收报文标识符的每一位都必须跟过滤器标识符相同。
标识符寄存器的标识符列表模式或屏蔽位模式。
(1) 为了过滤出一组标识符，应该设置过滤器组工作在屏蔽位模式。
(2) 为了过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。
(3) 应用程序不用的过滤器组，应该保持在禁用状态。
(4) 过滤器组中的每个过滤器，都被编号为(叫做过滤器号)从0开始，到某个最大数值－取决于过滤
器组的模式和位宽的设置。
关于过滤器配置，参见下图:
STM32 CAN过滤器寄存器

2.3 STM32 CAN模式

(1)工作模式
1.初始化模式（INRQ=1，SLEEP=0）
2.正常模式（INRQ=0，SLEEP=0）
3.睡眠模式（SLEEP=1）
(2)测试模式
1.静默模式（ LBKM=0，SILM=1 ）

2.环回模式（ LBKM=1，SILM=0 ）

3.环回静默模式

4.调试模式

2.4 STM32 CAN发送流程

CAN发送流程为：
程序选择1个空置的邮箱（TME=1）—>设置标识符（ID），数据长度和发送数据—>设置CAN_TIxR的TXRQ位为1，请求发送—>邮箱挂号（等待成为最高优先级）—>预定发送（等待总线空闲）—>发送—>邮箱空置。
还包含了很多其他处理，终止发送（ABRQ=1）和发送失败处理等。
CAN发送流程

2.5 STM32 CAN接收流程

CAN接收流程为：
FIFO空—>收到有效报文—>挂号_1（存入FIFO的一个邮箱，这个由硬件控制，从而节省了 CPU 的处理负荷，简化了软件并保证了数据的一致性）---->收到有效报文---->挂号_2---->收到有效报文---->挂号_3---->收到有效报文à溢出。
CAN收到的有效报文，存储在3级邮箱深度的FIFO中。FIFO接收到的报文数，我们可以通过查询CAN_RFxR的FMP寄存器来得到，只要FMP不为0，我们就可以从FIFO读出收到的报文。
报文FIFO具有锁定功能(由CAN_MCR，RFLM位控制)，锁定后，新数据将丢弃，不锁定则新数据将替代老数据。
CAN接收流程

2.6 STM32 CAN位时序

STM32把传播时间段和相位缓冲段 1（STM32称之为时间段1）合并了，所以 STM32的 CAN 一个位只有 3 段：同步段（SYNC_SEG）、时间段 1（BS1）和时间段 2（BS2）。 STM32的 BS1 段可以设置为 1~16 个时间单元，刚好等于CAN的传播时间段和相位缓冲段 1 之和。
STM32位时序图中还给出了 CAN 波特率的计算公式，我们只需要知道 BS1 和 BS2 的设置，以及 STM32F1 APB1的时钟频率（一般为 36Mhz），就可以方便的计算出波特率。
比如：
STM32F103，设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率=36000/[(9+8+1)*4]=500Kbps。
STM32F407，设TS1=6、TS2=5、BRP=5，波特率=42000/[(7+6+1)*6]=500Kbps。

3、STM32 CUBEMX配置

本工程使用的是STM32F103C8T6芯片，STM32CUBEMX配置也是采用这个型号的芯片进行配置。

3.1 时钟源配置

时钟源配置

3.2 调试接口配置

调试接口配置

3.3 工程配置

工程配置

3.4 工程文件配置

工程文件配置

3.5 时钟配置

时钟配置

3.6 STM32 CAN外设配置

STM32CAN外设配置

3.7 STM32 CAN中断配置

STM32 CAN中断配置

4、代码讲解

4.1 添加CAN开启函数

void HAL_CAN_MspDeInit(CAN_HandleTypeDef* canHandle)
{

  if(canHandle->Instance==CAN1)
  {
  /* USER CODE BEGIN CAN1_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END CAN1_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_CAN1_CLK_DISABLE();

    /**CAN GPIO Configuration
    PA11     ------> CAN_RX
    PA12     ------> CAN_TX
    */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12);

    /* CAN1 interrupt Deinit */
    HAL_NVIC_DisableIRQ(USB_LP_CAN1_RX0_IRQn);
    HAL_NVIC_DisableIRQ(CAN1_RX1_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN CAN1_MspDeInit 1 */
		
		/*需要添加CAN外设开启函数，否则CAN无法正常工作*/
		HAL_CAN_Start(&hcan);//开启CAN

  /* USER CODE END CAN1_MspDeInit 1 */
  }
}

4.2 CAN发送和CAN筛选器函数

以下为CAN的发送、CAN筛选器接收和CAN中断回调函数。

/* USER CODE BEGIN 1 */

/*
* @brief：CAN过滤器配置，接收模式采用的是列表模式
* @param：can_id1（筛选第一个ID号）
* @param：can_id2（筛选第二个ID号）
*
* @retval：none
*/
void CAN_Fliter_Config_IDLIST(uint32_t can_id1,uint32_t can_id2)
{
	CAN_FilterTypeDef hcan_filterconfig;
	
	hcan_filterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;//过滤器使能
	hcan_filterconfig.FilterBank = 0;  //使用过滤器0
	hcan_filterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDLIST;//采用列表模式
	hcan_filterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;//采用32位掩码模式
	hcan_filterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FilterFIFO0;//使用FIFO0
	
	hcan_filterconfig.FilterIdHigh =     (((((uint32_t)can_id1)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0xffff0000)>>16;//过滤器ID高16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	hcan_filterconfig.FilterIdLow =      (((((uint32_t)can_id1)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0x0000ffff);    //过滤器ID低16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	hcan_filterconfig.FilterMaskIdHigh = (((((uint32_t)can_id2)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0xffff0000)>>16;//过滤器掩码高16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	hcan_filterconfig.FilterMaskIdLow =  (((((uint32_t)can_id2)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0x0000ffff);    //过滤器掩码低16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	
	hcan_filterconfig.SlaveStartFilterBank = 14; //过滤器数量14
	
	HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan,&hcan_filterconfig); //初始化过滤器
	
	HAL_CAN_Start(&hcan);//开启CAN
	
	HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan,CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);//开启CAN-FIFO0中断
}

/*
* @brief：CAN过滤器配置，接收模式采用的是掩码模式
* @param：id（筛选的ID号）
* @param：mask_if（掩码）
*
* @retval：none
*/
void CAN_Fliter_Config_IDMASK(uint32_t id,uint32_t mask_id)
{
	CAN_FilterTypeDef hcan_filterconfig;
	
	hcan_filterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;//过滤器使能
	hcan_filterconfig.FilterBank = 0;  //使用过滤器0
	hcan_filterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;//采用列表模式
	hcan_filterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;//采用32位掩码模式
	hcan_filterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FilterFIFO0;//使用FIFO0
	
	hcan_filterconfig.FilterIdHigh =     (((((uint32_t)id)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0xffff0000)>>16;//过滤器ID高16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	hcan_filterconfig.FilterIdLow =      (((((uint32_t)id)<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0x0000ffff);    //过滤器ID低16位,CAN_ID_EXT(扩展ID)、CAN_RTR_DATA(帧类型为数据帧)
	hcan_filterconfig.FilterMaskIdHigh = (mask_id & 0xffff0000)>>16;//过滤器掩码高16位
	hcan_filterconfig.FilterMaskIdLow =  mask_id & 0x0000ffff;      //过滤器掩码低16位
	
	hcan_filterconfig.SlaveStartFilterBank = 14; //过滤器数量14
	
	HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan,&hcan_filterconfig); //初始化过滤器
	
	HAL_CAN_Start(&hcan);//开启CAN
	
	HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan,CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);//开启CAN-FIFO0中断
}


/*
* @brief：CAN发送函数
* @param：id（CAN发送的ID号）
* @param：ide（帧ID号类型选择）
          CAN_ID_STD:标准ID号
          CAN_ID_EXT:扩展ID号
* @param：*pMsg（要发送的数据）
* @param：len（发送的数据长度）
*
* @retval：返回0：正常
           返回1：异常
*/
uint8_t CAN_SendMsg(uint32_t id,uint8_t ide,uint8_t *pMsg,uint8_t len)
{
	CAN_TxHeaderTypeDef pHeader;
	uint32_t pTxmailbox;
	uint8_t result = 0;
	
	HAL_StatusTypeDef CanStatus;
	
	if(ide == CAN_ID_STD)
	{
		pHeader.StdId = id;   //标准ID号
		pHeader.IDE = CAN_ID_STD;//标准ID
	}
	else
	{
		pHeader.ExtId = id;//扩展ID号
		pHeader.IDE = CAN_ID_EXT;//扩展ID
	}
	
	pHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;//传输数据的帧类型为数据帧
	pHeader.DLC = len>8?8:len;//发送数据的字节长度，最大为8个字节
	pHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;//是否要发送时间戳
	
	CanStatus = HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &pHeader, pMsg, &pTxmailbox);//CAN发送函数
	
	if(CanStatus != HAL_OK)
	{
		result = 1;
	}
	
	return result;
}

/*CAN-FIFO0中断回调函数*/
uint8_t CAN_Receive_Data[8];
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
	CAN_RxHeaderTypeDef Header;
	
	if(hcan->Instance == CAN1)
	{
		if(Header.ExtId == 0x012345678) //如果CAN接收的扩展ID为x012345678,则执行以下
		{
		    /*测试发现STM32F405单片机没有中断没有HAL_CAN_GetRxMessage函数，接收到第一条数据之后会一直卡死在中断里面*/
		    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &Header, CAN_Receive_Data);//接收的数据存储在CAN_Receive_Data
			printf("接收到扩展ID为:0x01234567");
		}
		
		if(Header.StdId == 0x087654321) //如果CAN接收的扩展ID为0x07654321,则执行以下
		{
		    /*测试发现STM32F405单片机没有中断没有HAL_CAN_GetRxMessage函数，接收到第一条数据之后会一直卡死在中断里面*/
		    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &Header, CAN_Receive_Data);//接收的数据存储在CAN_Receive_Data
			printf("接收到扩展ID为:0x07654321");
		}
	}
}

/* USER CODE END 1 */

4.3 main()函数

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  char CAN_Send_Data[8] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
  /* 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();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_CAN_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	CAN_Fliter_Config_IDLIST(0x012345678,0x07654321);//CAN过滤器配置

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
//		printf("123456\r\n");
		
		CAN_SendMsg(0x01234567,CAN_ID_EXT,CAN_Send_Data,8);//CAN发送函数
		
		
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
		HAL_Delay(500);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}