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基于HAL库的stm32的can收发实验

news 文章来源：https://blog.csdn.net/qq_65524926/article/details/144643936 2025/5/11 10:38:05

十六、CAN

1.CAN简介

CAN协议，全称为Controller Area Network（控制器局域网络），是一种广泛应用的串行通信协议，最初由德国BOSCH公司开发，并已成为国际标准。低速CAN（ISO11519）通信速率 10~125Kbps，总线长度可达 1000 米。高速CAN（ISO11898）通信速率 125Kbps~1Mbps，总线长度 ≤40 米。

定义：CAN协议是一种基于差分信号的异步串行通信协议，采用双绞线作为传输介质，具有高性能、高可靠性和独特的设计特点

特点：

多主控制：支持多主方式，即任何一个节点都可以在总线上发送数据，其他节点根据需要进行接收。当两个以上的节点同时开始发送数据时，会根据标识符（ID）决定优先级。

系统柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。

仲裁检测

通信速度快、距离远：数据传输速率较高，标准速率为125kbps，扩展速率可达1Mbps，且通信距离远，最远可达10KM（速率低于5Kbps）。

错误检测与恢复：具有错误检测、错误通知和错误恢复功能，能够确保数据传输的可靠性。

故障封闭功能：能够判断出错误的类型，并将引起故障的单元从总线上隔离出去。

应用领域汽车 ECU之间通讯，工业自动化，航空航天

2. CAN物理层介绍

CAN网络通常由CAN控制器、CAN收发器和双绞线组成。

CAN控制器：负责处理数据的收发和协议转换。

CAN收发器：负责将控制器的数字信号转换为差分信号进行传输，同时也负责将总线上的差分信号转换为数字信号供控制器处理。

终端电阻: 在高速CAN总线的两端分别连接一个电阻，称为终端电阻。终端电阻的主要作用是匹配总线阻抗，提高信号质量，减少回波反射。一般来说，终端电阻的阻值为120Ω。

2.1 总线拓扑图

2.2 电平标准

CAN使用差分信号进行数据传输，根据CAN_H和CAN_L上的电位差来判断总线电平。

显性电平表示逻辑 0 ，通常 CAN_H 和 CAN_L 有 2V 的压差；

隐性电平表示逻辑 1 ，通常 CAN_H 和 CAN_L 有 0V 的压差。

显性电平在通信中具有优先权，能够覆盖隐性电平，确保数据的正确传输。

隐性电平则作为总线的空闲或监听状态存在，等待有节点发送数据。

正常情况下是隐性电平---显隐压差不同

2.3 CAN控制器与收发器

不用交叉接线

3、CAN协议层介绍

3.1 CAN帧种类介绍

1. 数据帧（Data Frame）：数据帧是CAN总线上用于传输用户数据的帧，包括必要的帧头、标识符、控制位、数据长度代码、数据域、CRC校验码和应答域等部分，是CAN通信中最基本和最重要的帧类型。

2. 遥控帧（Remote Frame）：遥控帧用于向总线上的其他节点请求发送具有相同标识符的数据帧，它没有数据域，仅通过标识符来指定所需的数据。遥控帧的帧结构与数据帧相似，但缺少数据部分。

裁判

3. 错误帧（Error Frame）：当CAN总线上的任何节点检测到通信错误时，会发送错误帧来通知其他节点。错误帧包含错误标志和错误界定符，用于指示错误的存在和类型。

4. 过载帧（Overload Frame）：过载帧用于在连续的数据帧或远程帧之间提供额外的延时，以指示接收节点尚未准备好接收下一个帧。当接收节点因内部条件限制而无法立即接收数据时，会发送过载帧来请求发送节点暂停发送。

5. 帧间隔（Interframe Space）：帧间隔用于隔离数据帧与前面的帧，确保它们之间的时间间隔足够长，以避免总线上的冲突和数据丢失。帧间隔包括连续三个隐性位（间隔段）和可能存在的空闲段，用于将数据帧或远程帧与前面的帧分隔开来。

3.2 CAN数据帧介绍

数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)，主要体现在仲裁段和控制段。

帧起始（Frame Start）：功能：表示数据帧的开始。特点：由一个显性位（Dominant Bit）构成，此时CAN_H为高电平（如3.5V），CAN_L为低电平（如1.5V），二者之间的电位差形成信号。 2. 仲裁段（Arbitration Field）：功能：确定发送优先级，并包含标识符（Identifier）用于唯一标识发送者和接收者之间的通信关系。组成：标准数据帧的仲裁场由11位ID和1位RTR位（远程发送请求位）组成。RTR位用于区分数据帧（显性电平）和遥控帧（隐性电平）。扩展数据帧中，还包含SRR位（Substituted Remote Request，替代的远程请求）和IDE位（Identifier Extension，标识符扩展）。SRR位用于指示发送方是否发送了远程请求帧，IDE 位用于指示标识符字段是否使用了扩展格式（29位）。 3. 控制段（Control Field）：功能：包含数据长度代码（DLC），用于定义数据帧中数据域的长度。特点：DLC占4位，其取值范围为0到8个字节，表示数据帧中包含的数据字节数。 4. 数据段（Data Field）：功能：包含要传输的数据，是数据帧的主体部分。特点：数据域的长度可以根据DLC字段的值从0到8个字节不等，数据从最高位（MSB）开始传输。 5. CRC段（CRC Field）：功能：用于检测数据帧的传输错误。特点：CRC（循环冗余校验）是一种通过对数据进行计算生成的校验码，发送方在发送数据帧时会根据数据计算出CRC值，并将其添加到数据帧的CRC段中。接收方在接收到数据帧后会重新计算 CRC值，并与接收到的CRC值进行比较，以确认数据在传输过程中是否发生错误。 6. 应答段（ACK Field）：功能：用来确认数据帧的正常接收。组成：由ACK槽（ACK Slot）和ACK界定符两个位构成。当接收节点成功解析了数据帧并确认无误后，会在ACK槽中发送一个显性位作为应答信号。 7. 帧结束（Frame End）：功能：表示数据帧的结束。特点：由7个连续的隐性位构成，标志着数据帧的传输完成。
1. 3.3 CAN位时序
  
  CAN总线以“位同步”机制，实现对电平的正确采样。位数据都由四段组成：同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2)，每段又由多个位时序Tq组成。

所谓采样点是读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。

CAN总线通过时钟同步机制来确保各个节点在通信过程中保持同步。时钟同步机制包括硬同步和再同步两种：

1.硬同步：

硬同步只在帧的起始位（SOF）处进行。

当接收节点检测到帧起始位的下降沿时，会将其与自身的位时间进行对齐，从而实现同步。

2.再同步：

再同步在帧的后续数据位中进行。

如果接收节点检测到数据位的跳变沿不在自身的同步段内，则会通过延长或缩短相位缓冲段的时间来调整自身的位时间，以重新获得同步。

再同步时，PBS1和PBS2中增加或者减少的时间被称为“再同步补偿宽度（SJW）”，其范围：1~4 Tq。

3.4 CAN仲裁机制

CAN总线处于空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权。

多个单元同时开始发送时，从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。仲裁原理如下：

1.标识符优先级：

CAN总线中传输的数据帧的起始部分为数据的标识符（ID）。这个标识符不仅用于区分消息，还表示消息的优先级。在CAN 2.0标准中，标识符可以是11位或29位（对于扩展帧）。标识符的数值越小，优先级越高。

例如，在11位标识符的情况下，ID为0x000的消息具有最高优先级，而ID为0x7FF的消息具有最低优先级。

2.逐位仲裁：

当两个或两个以上的节点同时开始传送报文时，就会产生总线访问冲突。此时，各节点会按照标识符的位顺序逐位进行仲裁。

在仲裁过程中，每个节点都会将自己发送的电平与总线上的电平进行比较。如果电平相同，则节点继续发送下一位；如果电平不同，则优先级低的节点停止发送，而优先级高的节点继续发送。这种仲裁方式是非破坏性的，即优先级低的节点在仲裁过程中不会破坏总线上已经存在的数据。

3.显性电平优先

在CAN总线上，显性电平（逻辑0）的优先级高于隐性电平（逻辑1）。因此，在仲裁过程中，如果某个节点发送的是隐性电平，但检测到总线上存在显性电平，那么该节点就会知道有更高优先级的消息正在发送，并主动停止发送。

一旦仲裁结束，优先级最高的节点将获得总线控制权并开始传输数据。其他节点则成为接收节点并监听总线上的数据，并会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。

4.STM32 CAN控制器介绍

4.1CAN控制器介绍

STM32的bxCAN，即基本扩展CAN（Basic Extend CAN），是STM32微控制器系列中集成的CAN控制器模块。

1. 协议支持：支持CAN协议2.0A和2.0B的主动模式。

2. 高波特率：波特率最高可达1兆位/秒。

3. 时间触发通信：支持时间触发通信功能，CAN的硬件内部定时器可以在TX/RX的帧起始位的采样点位置生成时间戳。

4. 发送功能：

具有3个发送邮箱，发送报文的优先级特性可软件配置。

记录发送SOF（Start Of Frame，帧起始）时刻的时间。

接收功能：具有3级深度的2个FIFO（First In First Out，先进先出队列），每个FIFO都可以存放3个完整的报文，完全由硬件管理。

共有14个位宽可变的过滤器组（部分STM32型号可能支持更多），由整个CAN共享，用于筛选有效报文。

记录接收SOF时刻的时间。

支持禁止自动重传模式。

4.2CAN控制器模式

CAN控制器的工作模式有三种：初始化模式、正常模式和睡眠模式。

睡眠模式：在睡眠模式下，CAN控制器的时钟停止，以降低功耗。但软件仍然可以访问邮箱寄存器。

初始化模式：在初始化模式下，禁止报文的接收和发送，并且CANTX引脚输出隐性位（高电平）。此时，可以对CAN控制器的相关寄存器进行配置，如位时间特性（CAN_BTR）和控制（CAN_MCR）等。

正常模式：作为总线的正常节点，可以向总线发送或接收数据。

CAN控制器的测试模式有三种：静默模式、环回模式和环回静默模式，主要用于特定的测试或调试目的，以确保CAN控制器的功能正常。

静默模式

特点：在静默模式下，CAN控制器可以正常地接收数据帧和远程帧，但只能发出隐性位，而不能真正发送报文。

这意味着，虽然CAN控制器在尝试发送数据，但实际上它并没有在CAN总线上产生任何显性位，因此不会对总线上的其他节点产生影响。

应用场景：静默模式通常用于分析CAN总线的活动，而不会对总线上的其他通信造成干扰。

开发人员可以使用此模式来观察总线上的数据流，而无需担心他们的测试设备会发送出不必要的报文。

环回模式

特点：

在环回模式下，CAN控制器会把发送的报文当作接收的报文并保存（如果可以通过接收过滤）。

这意味着，当CAN控制器发送一个报文时，它会立即在自己的接收缓冲区中看到这个报文，就像它是从总线上接收到的一样。

应用场景：

环回模式通常用于自测试，以验证CAN控制器的发送和接收功能是否正常。

通过发送一个报文并检查它是否被正确接收，开发人员可以确保CAN控制器的硬件

和固件都按预期工作。

环回静默模式

特点：

环回静默模式结合了静默模式和环回模式的特点。

在该模式下，CANRX引脚与CAN总线断开，同时CANTX引脚被驱动到隐性位状态。

这意味着，虽然CAN控制器在尝试发送报文，但它实际上并没有在CAN总线上产生任何显性位，并且它会将发送的报文视为接收到的报文。

应用场景：

环回静默模式通常用于“热自测试”，即可以在不影响CANTX和CANRX所连接的整个CAN系统的情况下进行测试。

这种模式允许开发人员在不干扰总线上的其他通信的情况下，验证CAN控制器的发送和接收功能。

4.2 CAN控制器框图

CAN控制内核：包含各种控制/状态/配置寄存器，用于配置CAN控制器的模式、波特率等参数。发送邮箱（Transmit Mailbox）：用来缓存待发送的CAN报文。STM32等微控制器通常具有多个发送

发送邮箱（Transmit Mailbox）：用来缓存待发送的CAN报文。STM32等微控制器通常具有多个发送邮箱（如3个），以支持同时缓存多个报文。

接收FIFO（First In First Out）：缓存接收到的有效CAN报文。CAN控制器通常具有多个接收FIFO（如2 个），以提高接收效率。

接收过滤器（Receive Filter）：筛选接收到的CAN报文，只将符合特定条件的报文保存到接收FIFO中。这有助于减少CPU的处理负担，提高系统的响应速度。

接收处理过程：

有效报文指的是（数据帧直到EOF段的最后一位都没有错误），且通过过滤器组对

标识符过滤。

接收过滤器：

当总线上报文数据量很大时，总线上的设备会频繁获取报文，占用CPU。过滤器的存在，选择性接收有效报文，减轻系统负担。

STM32的CAN控制器支持配置过滤器组，每个过滤器组包含2个32位的寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，用于存储要筛选的ID或掩码。对于STM32F103C8T6，如果只有一个CAN控制器，则可以配置14个过滤器组，对应的编号为0到13。

过滤器可以配置为不同的位宽，以适应不同长度的CAN ID。常见的位宽包括16位（用于标准帧）和32位（用于扩展帧）。

选择模式可设置屏蔽位模式或标识符列表模式，寄存器内容的功能就有所区别。屏蔽位模式，可以选择出一组符合条件的报文。寄存器内容功能相当于是否符合条件。标识符列表模式，可以选择出几个特定ID的报文。寄存器内容功能就是标识符本

身。

4.3 CAN控制器位时序

设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps。注意：通信双方波特率需要一致才能通信成功。

CAN寄存器及库函数介绍

22.9.2 CAN控制和状态寄存器

CAN发送状态寄存器 (CAN_TSR)

CAN位时序寄存器 (CAN_BTR)

发送邮箱标识符寄存器 (CAN_TIxR) (x=0..2)

发送邮箱数据长度和时间戳寄存器 (CAN_TDTxR) (x=0..2)

位3:0 DLC[15:0]: 发送数据长度 (Data length code) 该域指定了数据报文的数据长度或者远程帧请求的数据长度。1个报文包含0到8个字节数据，而这由DLC决定。

发送邮箱低字节数据寄存器 (CAN_TDLxR) (x=0..2)64位8字节保存低字节

发送邮箱高字节数据寄存器 (CAN_TDHxR) (x=0..2)

22.9.4 CAN过滤器寄存器

CAN 过滤器模式寄存器 (CAN_FM1R)

CAN 过滤器位宽寄存器 (CAN_FS1R)

CAN 过滤器FIFO关联寄存器 (CAN_FFA1R)

CAN 过滤器组i的寄存器x (CAN_FiRx)

(互联产品中i=0..27，其它产品中i＝0..13； x=1..2)

根据过滤器位宽和模式的不同设置，过滤器组中的两个寄存器的功能也不尽相同。关于过滤器的映射，功能描述和屏蔽寄存器的关联，请参见22.7.4节标识符过滤。

函数

HAL_CAN_Init

HAL_CAN_ConfigFilter

HAL_CAN_Start 收发数据

HAL_CAN_AddTxMessage

HAL_CAN_GetRxMessage

HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel 等待发送完成

HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel 等待接收完成

TimeSeg1

流程图

小实验：CAN收发实验

实验目的

1. 使用回环模式实现自发自收；

2两个CAN设备实现收发。

硬件清单 TJA1050

为什么只能

为什么只能发数据却收不到数据

用NORMAL的时候就发给另一台设备

/------------------------------------can.c-----------------------------------/

初始化

void can_init(void)
{can_handle.Instance = CAN1;//外设基地址//波特率，位时序can_handle.Init.Mode = CAN_MODE_LOOPBACK;//回环模式自己发自己收用作测试//波特率can_handle.Init.Prescaler = 4;         //波特率预分频can_handle.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;//tq取8但是这里取9个TQ为什么？can_handle.Init.TimeSeg2 = CAN_BS1_8TQ;//tq取8但是这里取9个TQcan_handle.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;//1~4个Tqcan_handle.Init.AutoBusOff         =   DISABLE;    //禁止自动离线管理can_handle.Init.AutoRetransmission =   DISABLE;    //禁止自动重发can_handle.Init.AutoWakeUp         =   DISABLE;    //禁止自动唤醒can_handle.Init.ReceiveFifoLocked  =   DISABLE;    //禁止接收FIFO锁定can_handle.Init.TimeTriggeredMode  =   DISABLE;    //禁止时间触发通信模式can_handle.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;    //禁止发送FIFO优先级HAL_CAN_Init(&can_handle);//过滤器配置CAN_FilterTypeDef can_filterconfig = {0};//结构体can_filterconfig.FilterMode  = CAN_FILTERMODE_IDMASK; //工作模式按摩  掩码。和列表模式can_filterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;//拓展帧32位can_filterconfig.FilterIdHigh = 0;//不过滤任何东西什么东西来都接收can_filterconfig.FilterIdLow  = 0;can_filterconfig.FilterMaskIdHigh = 0;can_filterconfig.FilterMaskIdLow = 0;can_filterconfig.FilterBank = 0;//使用0号寄存器can_filterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FilterFIFO0;//进到FIFO 0中can_filterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;//使能过滤器can_filterconfig.SlaveStartFilterBank = 14;//---HAL_CAN_ConfigFilter(&can_handle,&can_filterconfig);HAL_CAN_Start(&can_handle);
}

底层配置

void HAL_CAN_MspInit(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{__HAL_RCC_CAN1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_12;          gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;             gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;                     gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;           HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_11;          gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;             HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
}

can发送数据

void can_send_data(uint32_t id,uint8_t *buf,uint8_t len)
{CAN_TxHeaderTypeDef tx_header = {0};uint32_t tx_mail = CAN_TX_MAILBOX0;//邮箱0tx_header.ExtId = id;tx_header.DLC   = len;tx_header.IDE   = CAN_ID_EXT;//标准针还是拓展帧tx_header.RTR   = CAN_RTR_DATA;//数据帧HAL_CAN_AddTxMessage(&can_handle,&tx_header,buf,&tx_mail);//句柄 结构体 指定邮箱//等待三个邮箱都空while(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&can_handle) != 3);uint8_t i =0;printf("发送数据： \r\n");//将buf中的数字打印出来for(i = 0;i <len;i++)printf("%X ",buf[i]);printf("\r\n");
}

接收数据

uint8_t can_receive_data(uint8_t *buf)
{CAN_RxHeaderTypeDef rx_header = {0};if(HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(&can_handle,CAN_RX_FIFO0) == 0)return 0;//没有接收到数据//句柄 FIFO0，机构体，缓冲区HAL_CAN_GetRxMessage(&can_handle,CAN_RX_FIFO0,&rx_header,buf);uint32_t i = 0;printf("接收数据： \r\n");for(i =0;i < rx_header.DLC;i++)printf("%X ", buf[i]);printf("\r\n");return rx_header.DLC;}

/------------------------------------------main.c---------------------------/

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "uart1.h"
#include "key.h"
#include "can.h"
#include "stdio.h"uint8_t data_send[8] = {0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88};
uint8_t data_receive[8];int main(void)
{HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */led_init();	/* LED初始化 */uart1_init(115200);can_init();key_init();
//			led1_on();
//			led1_off();printf("hello world!\r\n");uint8_t i = 0;while(1){ //按下KEY1发送数据if(key_scan() == 1){for(i=0;i<8;i++)data_send[i]++;can_send_data(0x12345678,data_send,8);}can_receive_data(data_receive);}
}

实验现象