STM32——CAN总线

STM32——CAN总线

1. CAN总线基础概念

1.1 CAN总线简介

控制器局域网（Controller Area Network, CAN）是由Bosch公司开发的串行通信协议，专为汽车电子和工业控制设计，具有以下核心特性：

• 多主控制架构：所有节点均可主动发送数据
• 差分信号传输：CAN_H与CAN_L双绞线抗干扰
• 非破坏性仲裁：基于ID优先级的冲突解决机制
• 高可靠性：CRC校验、错误帧检测等安全机制

图表

1.2 CAN物理层结构

物理连接示意图：

STM32          CAN收发器         CAN总线
|------|        |------|        |--------|
|      | TX ----| TXD  |        | CAN_H  |
| CAN  |        |      |--------|        |
| 控制 | RX ----| RXD  |        | CAN_L  |
| 器   |        |------|        |--------|
|------|          ↑
                VCC(5V)

2. STM32 CAN控制器架构

2.1 功能框图

2.2 关键功能单元

1. 发送邮箱：3个独立邮箱（F1/F4系列）
   • 优先级管理机制
   • 自动重传功能
2. 接收FIFO：2个FIFO（FIFO0/FIFO1）
   • 每个FIFO深度3个报文
   • 可配置溢出处理
3. 过滤器组：最多28个（F4系列）
   • 工作模式：掩码模式/列表模式
   • 尺度选择：16位/32位

3. CAN通信协议详解

3.1 数据帧结构

┌───┬───────┬──────┬───┬───────┬──────┬──────┬───┬───┐
│SOF│Arbitr.│Control│IDE│Data  │ CRC  │ ACK  │EOF│IFS│
│1  │11/29  │6      │1  │0-64  │16    │2     │7  |3  |
└───┴───────┴──────┴───┴───────┴──────┴──────┴───┴───┘

• SOF：帧起始（显性电平）
• Arbitration：ID+ RTR位（11位标准/29位扩展）
• Control：DLC（数据长度0-8字节）
• CRC：15位校验 + 1位界定符
• ACK：应答槽 + 应答界定符

3.2 波特率配置

计算公式：

波特率 = APB1时钟 / (Prescaler * (BS1 + BS2 + 1))

位时间组成：

┌───┬──────────────┬──────────────┐
│SYNC│   BS1(Prop)  │    BS2(Ph2)  │
├───┼─────┬────┬───┼─────┬────┬───┤
│ 1 │ TQ1│... │TQn│ TQ1│... │TQm│
└───┴─────┴────┴───┴─────┴────┴───┘

• SYNC_SEG：固定1个时间量子(TQ)
• BS1：传播时间段（1-16 TQ）
• BS2：相位缓冲段2（1-8 TQ）

4. STM32CubeMX配置步骤

4.1 基础配置流程

1. 在Pinout视图启用CAN
2. 配置参数：
   • Mode：Normal/Loopback
   • Bit Timings：设置Prescaler/BS1/BS2
3. 过滤器配置：
   • Filter Activate：Enable
   • Scale：32-bit/16-bit
   • Mode：Mask/List
4. NVIC设置：启用接收中断

4.2 推荐配置参数（500kbps）

5. HAL库编程实战

5.1 CAN初始化代码

CAN_HandleTypeDef hcan;
CAN_FilterTypeDef filter;

void CAN_Init(void)
{
  hcan.Instance = CAN1;
  hcan.Init.Prescaler = 6;
  hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
  hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_8TQ;
  hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_3TQ;
  hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;
  hcan.Init.AutoBusOff = DISABLE;
  hcan.Init.AutoWakeUp = DISABLE;
  hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE;
  hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
  hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;
  
  if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  // 配置过滤器（接收所有消息）
  filter.FilterBank = 0;
  filter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
  filter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
  filter.FilterIdHigh = 0x0000;
  filter.FilterIdLow = 0x0000;
  filter.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
  filter.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  filter.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
  filter.FilterActivation = ENABLE;
  
  HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);
  HAL_CAN_Start(&hcan);
  HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

5.2 数据发送函数

uint8_t CAN_Send(uint32_t id, uint8_t* data, uint8_t len)
{
  CAN_TxHeaderTypeDef txHeader;
  uint32_t txMailbox;
  
  txHeader.StdId = id;          // 标准ID
  txHeader.ExtId = 0;            // 扩展ID（标准帧设为0）
  txHeader.IDE = CAN_ID_STD;     // 使用标准帧
  txHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;   // 数据帧
  txHeader.DLC = len;            // 数据长度
  txHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;
  
  if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &txHeader, data, &txMailbox) != HAL_OK) {
    return 0; // 发送失败
  }
  
  // 等待发送完成
  while(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) != 3);
  return 1;
}

5.3 中断接收处理

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
  CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader;
  uint8_t rxData[8];
  
  if(HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rxHeader, rxData) == HAL_OK) 
  {
    uint32_t id = rxHeader.StdId;  // 获取标准ID
    uint8_t len = rxHeader.DLC;    // 数据长度
    
    // 处理接收数据 (示例: 串口转发)
    printf("ID:0x%X Data:", id);
    for(int i=0; i<len; i++) {
      printf("%02X ", rxData[i]);
    }
    printf("\n");
  }
}

6. 调试技巧与工具

6.1 常见调试工具

6.2 典型问题排查

1. 无法通信：
   • 检查终端电阻（总线两端各120Ω）
   • 验证波特率配置一致性
   • 测量CAN_H-CAN_L差分电压（2V左右）
2. 数据丢失：
   • 增加接收FIFO深度
   • 优化过滤器设置减少无关报文
   • 提升中断优先级
3. 总线错误：
   • 使用HAL_CAN_GetError()获取错误码
   • 检查物理线路是否受干扰
   • 降低波特率测试稳定性

7. 应用案例

7.1 汽车电子网络

┌──────────────┐       ┌──────────────┐
│ 发动机控制器 │◄─────►│ 车身控制模块 │
├──────────────┤       ├──────────────┤
│    CAN总线   │◄──┐ ┌─►│  仪表盘显示  │
└──────▲───────┘  │ │  └──────────────┘
       │          ▼ ▼
┌──────┴───────┐  ┌──────────────┐
│  制动系统    │  │  网关控制器  │
└──────────────┘  └──────────────┘

7.2 工业控制系统

最佳实践提示：在工业环境中，建议使用带隔离的CAN收发器（如ISO1050）并增加TVS管保护电路，可显著提升系统抗干扰能力。

附录：CAN资源速查表