STM32单片机使用CAN协议进行通信

CAN总线（控制器局域网总线）

理论知识

CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线

CAN总线特征

• 两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少，无需共地
• 差分信号通信（相对的是单端信号），抗干扰能力强（意思是当有干扰时，两根线同时产生波动，但两根线的差值不变）
• 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps，<40m
• 低速CAN（ISO11519）：10k~12kbps，<1km
• 异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
• 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
• 11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
• 可配置1~8字节的有效载荷
• 可实现广播式和请求式两种传输方式
• 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

主流通信协议对比

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备	应用场景
UART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点	两个设备互相通信
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备	单主控外挂多个模块
SPI	SCK、MOSI、MISO、SS	全双	同步	单端	多设备	单模块外挂多个模块（高速，可达几Mbps）
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备	多个主控互相通信

 CAN硬件电路

• 每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上
• 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120欧的终端电阻（第一个作用是防止回波反射，第二个作用是没有设备操作时，将两根差分线的电压收紧）
• 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2千欧的终端网络（有回波反射作用）

CAN电平标准

• CAN总线采用差分信号，即两线电压差（Vcan_h-Vcan_l）传输数据位
• 高速CAN规定：

电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）

• 低速CAN规定：

电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）

CAN总线帧格式

帧类型	用途
数据帧	发送设备主动发送数据（广播式）
遥控帧	接收设备主动请求数据（请求式）
错误帧	某个设备检测出错误时向其他设备通知错误
过载帧	接收设备通知其尚未做好接收准备
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开

数据帧

总线空闲状态-->帧起始SOF（发送隐性电平1）-->仲裁段（发送11位报文ID以及RTR【隐性电平1表示数据帧，显性电平0表示遥控帧】）-->控制段（IDE：ID扩展标志位：用于区分标准格式还是扩展格式【标准格式发显性电平0，扩展格式发隐性电平1】）、r0（保留位，必须为显性电平0）、4位DLC（用于指定1~8位有效载荷）-->数据段（要发送的数据，大小与前面的DLC对应）-->CRC段（校验算法：CRC及CRC界定符）-->ACK段（收发应答：ACK槽及ACK界定符）-->帧结束（EOF）

扩展格式：SRR替代RTR，协议升级时留下的无意义位

应答的过程是发送方与接收方操纵总线的过程，发送方发完数据后释放总线，等待读取总线信息，如果读到总线被拉紧，就说明有其他设备接收到数据，并且，CAN设备是发送方发送一位，接收方接收一位的过程，两个界定符的作用是给发送方和接收方留出操纵总线的时间。

遥控帧

遥控帧无数据段，RTR为隐性电平1，其他部分与数据帧相同

CAN的遥控帧（Remote Frame）的主要作用是请求其他节点发送具有特定ID的数据帧。具体来说，当一个节点需要从另一个节点获取数据时，它可以发送一个遥控帧，而不是直接发送数据。这个遥控帧包含了请求数据的ID，但没有包含数据本身。接收到遥控帧的节点如果拥有与遥控帧ID相匹配的数据帧，就会响应并发送相应的数据帧。这种方式允许节点仅请求需要的数据，而不是不断发送可能不需要的数据，从而提高了网络的效率和减少了不必要的数据传输。

位填充 

位填充规则：发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原始数据。

位填充作用：

• 增加波形的定时信息，利于接收方执行“再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
• 将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性（错误帧和过载帧回发送6个相同电平）
• 保持CAN总线早发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲

位时序

 为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据中心附近，CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相对缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成

硬同步

• 每个设备都有一个位时序计时周期，当每个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到SOF的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步
• 硬同步只在帧的第一个下降沿（SOF下降沿）有效
• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必须都会对齐数据位中心附近

再同步

• 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步
• 再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿

总线仲裁

CAN基本结构

STM32有CAN外设，微控制器做为CAN控制器，其内部结构如上图所示，发送和接收控制器相当于管家，控制CAN的发送和接收，发送邮箱是发送缓冲区，发送接收控制器可以根据先来后到或者ID优先级两种方式进行选择发送报文，通过CAN_TX发送到外面的CAN收发器，CAN收发器将TTL电平转换为差分电平CAN_H和CAN_L，传输到CAN总线上，发送接收控制器从CAN_RX引脚接收CAN总线发来的数据电平，先经过14个过滤器筛选，通过过滤器的报文再存放到接收FIFO（先入先出寄存器，队列）中，等待CPU读取处理。

代码

标准格式、扩展格式、数据帧、遥控帧

MyCAN.h

#ifndef __MYCAN_H
#define __MYCAN_H
#include "stdint.h"void MyCAN_Init(void);
void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage);
uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void);
void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage);#endif

MyCAN.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid MyCAN_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal;//环回模式CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;     //波特率 = 36M/48/(1+BS1Tq数+BS2Tq数)=125KCAN_InitStructure.CAN_BS1 = CAN_BS1_2tq;CAN_InitStructure.CAN_BS2 = CAN_BS2_3tq;CAN_InitStructure.CAN_SJW = CAN_SJW_2tq;CAN_InitStructure.CAN_NART = DISABLE;    //自动重传CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE;    //发送邮箱优先级，ENABLE先请求先发送，DISABLE，ID号小的先发送CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE;    //FIFO锁定，ENABLE,FIFO溢出时，新报文丢弃，DISABLE，最后收到的报文被新报文覆盖CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE;    //自动唤醒，ENABLE，自动，DISABLE，手动CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE;    //时间触发通信模式CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE;	 //离线自动恢复，ENABLE自动恢复，DISABLE手动恢复CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000;    //全通模式CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：32位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：屏蔽模式CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
}void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage)
{uint8_t TransmitMailbox = CAN_Transmit(CAN1,TxMessage);uint32_t Timeout = 0;while(CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox)!=CAN_TxStatus_Ok) //超时退出{Timeout ++;if(Timeout > 100000)break;}
}uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void)
{if(CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)>0)  //检查FIFO里是否有报文{return 1;}return 0;
}void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage)
{CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,RxMessage);
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyCAN.h"
#include "Key.h"CanTxMsg TxMsgArray[] = {
/*	StdId 	  ExtId        IDE			  RTR	  DLC		Data[8]		*/{0x555,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Data,4,{0x11,0x22,0x33,0x44}},{0x000,0x12345678,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Data,4,{0xAA,0xBB,0xCC,0xDD}},{0x666,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Remote,0,{0x00,0x00,0x00,0x00}},{0x000,0x0789ABCD,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Remote,4,{0x00,0x00,0x00,0x00}},	
};CanRxMsg RxMsg;u8 pTMsgArray = 0;int main()
{u8 keyNum = 0;OLED_Init();MyCAN_Init();Key_Init();OLED_ShowString(1,1,"Rx :");OLED_ShowString(2,1,"RxID:");OLED_ShowString(3,1,"Leng:");OLED_ShowString(4,1,"Data:");while(1){keyNum = Key_GetNum();if(keyNum==1){			MyCAN_Transmit(&TxMsgArray[pTMsgArray]);pTMsgArray++;pTMsgArray%=sizeof(TxMsgArray)/sizeof(CanTxMsg);}if(MyCAN_ReceiveFlag()){MyCAN_Receive(&RxMsg);if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Standard){OLED_ShowString(1,6,"Std");OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.StdId,8);}else if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Extended){OLED_ShowString(1,6,"Ext");OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.ExtId,8);}if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Data){OLED_ShowString(1,10,"Data  ");OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);OLED_ShowHexNum(4,6, RxMsg.Data[0],2);OLED_ShowHexNum(4,9, RxMsg.Data[1],2);OLED_ShowHexNum(4,12,RxMsg.Data[2],2);OLED_ShowHexNum(4,15,RxMsg.Data[3],2);				}else if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Remote){OLED_ShowString(1,10,"Remote");OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);OLED_ShowHexNum(4,6, 0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,9, 0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,12,0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,15,0x00,2);					}}}
}

过滤器的使用

（1）16位列表模式

	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;
//	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = (0x234<<5)|0x10;   //RTR在第五位，|0x10就能接收遥控帧CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x234<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x345<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x567<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //过滤器位宽：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //过滤器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 1;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x123<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x678<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x000<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

 （2）16屏蔽模式

	CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;/*一共有14个过滤器，可配置多个*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x200<<5;      //第一组IDCAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = (0x700<<5)|0x10|0x8;  //对应的屏蔽位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x320<<5;		  //第二组IDCAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = (0x7F0<<5)|0x10|0x8;    //对应的屏蔽位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //过滤器位宽：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：屏蔽CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（3）32位列表模式

	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID1 = 0x123<<21;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID1>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID1;uint32_t ID2 = (0x12345678u<<3)|0x4;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = ID2>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = ID2;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //过滤器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（4）32位屏蔽模式

	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID = (0x12345600u<<3)|0x4;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;uint32_t Mask = (0x1FFFFF00u<<3)|0x4|0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（5）只接收遥控帧

	/*一共有14个过滤器，可配置多个*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID = 0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;uint32_t Mask = 0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //过滤器位宽：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //过滤器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置过滤器关联，进FIFO0排队还是进FIFO1排队CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活过滤器开关CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);