STM32——CAN总线 - 详解

STM32——CAN总线

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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

组件	功能说明	典型参数
CAN控制器	协议处理、帧过滤	集成在STM32内部
CAN收发器	电平转换(TTL↔差分)	TJA1050, SN65HVD
双绞线	信号传输介质	特性阻抗120Ω
终端电阻	消除信号反射	120Ω两端各1个

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 关键效果单元

1. 发送邮箱：3个独立邮箱（F1/F4系列）
   • 优先级管理机制
   • 自动重传特性
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 推荐调整参数（500kbps）

参数	值	说明
Prescaler	6	分频系数
Time Quanta	12	总时间量子数
BS1	8 TQ	传播时间段
BS2	3 TQ	相位缓冲段2
SJW	1 TQ	同步跳转宽度
Sample Point	75%	(1+BS1)/(1+BS1+BS2)

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( ) ; } // 配备过滤器（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 素材发送函数

uint8_t CAN_Send(uint32_t id, uint8_t* data, uint8_t len) {CAN_TxHeaderTypeDef txHeader; uint32_ttxMailbox;txHeader.StdId = id; // 标准IDtxHeader.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_trxData[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; // 素材长度 // 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. 调试技巧与软件

6.1 常见调试工具

工具类型	推荐型号	特点
CAN分析仪	PCAN-USB, ZLG USBCAN	专业级报文分析
逻辑分析仪	Saleae, DSLogic	物理层信号观测
终端电阻	120Ω精密电阻	消除信号反射

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
   • 否受干扰就是检查物理线路
   • 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 │ └──────▲───────┘ │ │ └──────────────┘ │ ▼ ▼ ┌──────┴───────┐ ┌──────────────┐ │ 制动框架 │ │ 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

寄存器	功能描述	关键位域
CAN_MCR	主控制寄存器	INRQ, SLEEP, TTCM
CAN_MSR	主状态寄存器	INAK, SLAK, RX, TX
CAN_TSR	发送状态寄存器	TME0/1/2, TXOK0/1/2
CAN_RF0R/RF1R	接收FIFO寄存器	FMP0/1, FULL0/1
CAN_FMR	过滤器主寄存器	FINIT, CAN2SB
CAN_FA1R	过滤器激活寄存器	FACT0-27