深入解析：零知IDE——基于STM32F407VET6和MCP2515实现CAN通信与数据采集
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目录
（1）项目概述
本项目基于STM32F407VET6主控芯片和MCP2515 CAN通信模块，实现了一个完整的多数据传感器CAN模块通信的监控系统。通过分层架构设计和模块化编程，实现了稳定可靠的数据采集、传输和显示功能
（2）项目难点及解决方案
问题描述1：CAN标准数据帧最多8字节，但传感器数据量较大
解决方案：采用数据分包传输策略，将IMU数据拆分为两个CAN消息
一、硬件系统部分
1.1 硬件清单
（1）发送端组件
| 组件 | 型号 | 数量 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 主控板 | STM32F407VET6 | 1 | 数据处理与控制 |
| CAN模块 | MCP2515+TJA1050 | 1 | CAN通信 |
| 加速度传感器 | MPU6050 | 1 | 运动状态检测 |
| 温湿度传感器 | DHT11 | 1 | 环境监测 |
| 按键 | tactile switch | 1 | 模式切换 |
（2）接收端组件
| 组件 | 型号 | 数量 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 主控板 | STM32F407VET6 | 1 | 数据显示与控制 |
| CAN模块 | MCP2515+TJA1050 | 1 | CAN通信 |
| 显示屏 | ST7789 240×240 | 1 | 状态显示 |
| 按键 | tactile switch | 2 | 界面切换 |
1.2 接线方案
（1）发送端引脚
| 零知增强板引脚 | 功能 | 连接器件 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 53 | SPI_CS | MCP2515_CS | CAN片选 |
| 52 | SPI_SCK | MCP2515_SCK | SPI时钟 |
| 50 | SPI_MISO | MCP2515_MISO | SPI输入 |
| 51 | SPI_MOSI | MCP2515_MOSI | SPI输出 |
| 21/SCL | I2C_SCL | MPU6050_SCL | I2C时钟 |
| 20/SDA | I2C_SDA | MPU6050_SDA | I2C数据 |
| 7 | DATA | DHT11_DATA | 温湿度数据 |
| 2 | INT | MODE_BUTTON | 模式切换 |
| LED_BUILTIN | LED | SELF_TEST_LED | 状态指示 |
（2）接收端引脚
| 零知增强板引脚 | 功能 | 连接器件 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 53 | SPI_CS | MCP2515_CS | CAN片选 |
| 52 | SPI_SCK | MCP2515_SCK | SPI时钟 |
| 50 | SPI_MISO | MCP2515_MISO | SPI输入 |
| 51 | SPI_MOSI | MCP2515_MOSI | SPI输出 |
| 6 | DC | ST7789_DC | 数据/命令 |
| 7 | RST | ST7789_RST | 复位 |
| 10 | CS | ST7789_CS | 片选 |
| 9 | SCLK | ST7789_SCLK | 时钟 |
| 8 | MOSI | ST7789_MOSI | 数据输入 |
| 12 | INT | SELF_TEST_BUTTON | 自检按钮 |
| 13 | INT | DISPLAY_MODE_BUTTON | 显示切换 |
接收端部分的显示屏使用软件SPI串口、MCP2515 CAN通信模块使用硬件SPI串口
1.3 具体接线图
（1）发送端接线图
MCP2515 CAN通信模块接到5V电源，接收端和发送端的CAN_H和CAN_L总线互连
（2）接收端接线图
1.4 连接实物图
二、代码解析部分
2.1 发送端代码
（1）核心数据结构
// 精心设计的8字节数据结构，充分利用CAN帧容量
typedef struct {
int16_t accelX; // X轴加速度，范围-32768~32767，对应±2g/±4g/±8g/±16g量程
int16_t accelY; // Y轴加速度，MPU6050原始数据，需除以16384(±2g)得到g值
int16_t accelZ; // Z轴加速度
int16_t gyroX; // X轴角速度，范围-32768~32767，对应±250/±500/±1000/±2000°/s
} IMUDataPart1; // 精确8字节，避免内存对齐问题
typedef struct {
int16_t gyroY; // Y轴角速度，实际值=原始数据/131(±250°/s)
int16_t gyroZ; // Z轴角速度
int16_t temperature; // 温度值(放大100倍存储)，解决float传输问题
uint16_t reserved; // 保留位，用于数据对齐和未来扩展
} IMUDataPart2; // 精确8字节，CAN帧完美承载CAN标准数据帧最多8字节，通过将16字节的完整IMU数据拆分为两个逻辑部分
（2）数据采集算法
IMUDataPart1 readIMUDataPart1() {
IMUDataPart1 data;
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
if (mpu.testConnection()) {
// MPU6050原始数据读取，6轴运动数据一次性获取
mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
// 数据直接传递，实际应用中可以添加校准偏移量
data.accelX = ax;
data.accelY = ay;
data.accelZ = az;
data.gyroX = gx;
} else {
// 传感器故障处理，清零数据并设置错误标志
memset(&data, 0, sizeof(data));
}
return data;
}
IMUDataPart2 readIMUDataPart2() {
IMUDataPart2 data;
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
int16_t temp;
if (mpu.testConnection()) {
mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
temp = mpu.getTemperature(); // 读取芯片内部温度传感器
data.gyroY = gy;
data.gyroZ = gz;
// 温度转换公式：TEMP_degC = (TEMP_OUT / 340) + 36.53
data.temperature = (temp / 340.0 + 36.53) * 100; // 放大100倍保持精度
data.reserved = 0; // 预留位，可用于校验或扩展
} else {
memset(&data, 0, sizeof(data));
}
return data;
}
getMotion6()一次性读取所有运动数据，减少I2C通信次数
（3）CAN通信核心实现
void sendCANMessages(IMUDataPart1 imu1, IMUDataPart2 imu2, EnvData env, SystemData sys) {
// IMU数据第一部分发送
memcpy(imuMsg1.data, &imu1, sizeof(imu1));
if (mcp2515.sendMessage(&imuMsg1) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send IMU data part 1");
// 可添加重试机制
delay(1);
if (mcp2515.sendMessage(&imuMsg1) != MCP2515::ERROR_OK) {
systemStatus = STATUS_ERROR;
}
}
// IMU数据第二部分发送（立即发送，保证数据完整性）
memcpy(imuMsg2.data, &imu2, sizeof(imu2));
if (mcp2515.sendMessage(&imuMsg2) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send IMU data part 2");
systemStatus = STATUS_ERROR;
}
// 环境数据发送（优先级较低）
memcpy(envMsg.data, &env, sizeof(env));
mcp2515.sendMessage(&envMsg); // 不检查错误，避免阻塞
// 系统状态发送（最低优先级）
memcpy(sysMsg.data, &sys, sizeof(sys));
mcp2515.sendMessage(&sysMsg);
}关键数据（IMU）采用错误检测和重试，相关数据包连续发送，减少中间间隔
（4）发送端完整代码
#include
#include
#include
#include
#include
// CAN相关定义
struct can_frame imuMsg1; // 改为两个IMU消息
struct can_frame imuMsg2;
struct can_frame envMsg;
struct can_frame sysMsg;
MCP2515 mcp2515(53);
// 传感器对象
MPU6050 mpu;
#define DHT_PIN 7
#define DHT_TYPE DHT11
DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);
// 引脚定义
const int MODE_BUTTON = 2;
const int SELF_TEST_LED = LED_BUILTIN;
// 数据结构
typedef struct {
int16_t accelX; // 2字节
int16_t accelY; // 2字节
int16_t accelZ; // 2字节
int16_t gyroX; // 2字节
} IMUDataPart1; // 总共8字节
typedef struct {
int16_t gyroY; // 2字节
int16_t gyroZ; // 2字节
int16_t temperature; // 2字节（将float转换为int16_t，放大100倍）
uint16_t reserved; // 2字节（保留）
} IMUDataPart2; // 总共8字节
typedef struct {
int16_t temperature; // 2字节（放大100倍）
int16_t humidity; // 2字节（放大100倍）
uint32_t readTime; // 4字节
} EnvData; // 总共8字节
typedef struct {
uint8_t systemStatus; // 1字节
uint8_t operationMode; // 1字节
uint8_t errorCode; // 1字节
uint8_t batteryLevel; // 1字节
uint32_t uptime; // 4字节
} SystemData; // 总共8字节
// 系统状态定义
#define STATUS_SELF_TEST 0
#define STATUS_NORMAL 1
#define STATUS_ERROR 2
// 操作模式定义
#define MODE_NORMAL 0
#define MODE_HIGH_PRECISE 1
#define MODE_LOW_POWER 2
// 错误代码定义
#define ERROR_NONE 0
#define ERROR_MPU6050 1
#define ERROR_DHT11 2
#define ERROR_CAN 3
// 全局变量
volatile bool modeChanged = false;
uint8_t currentMode = MODE_NORMAL;
uint8_t systemStatus = STATUS_SELF_TEST;
unsigned long lastSendTime = 0;
unsigned long startTime = 0;
bool selfTestPassed = false;
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("Starting Vehicle Monitoring System - Transmitter");
// 初始化引脚
pinMode(MODE_BUTTON, INPUT_PULLUP);
pinMode(SELF_TEST_LED, OUTPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(MODE_BUTTON), modeButtonISR, FALLING);
// 初始化传感器
Wire.begin();
// 系统自检
selfTest();
// 初始化CAN消息结构
initCANMessages();
// 初始化MCP2515
if (!initCAN()) {
systemStatus = STATUS_ERROR;
Serial.println("CAN initialization failed!");
return;
}
startTime = millis();
systemStatus = STATUS_NORMAL;
Serial.println("System initialized successfully");
}
void loop() {
// 主循环代码保持不变，只修改数据读取和发送部分
unsigned long currentTime = millis();
if (systemStatus == STATUS_SELF_TEST) {
runSelfTest();
return;
}
if (systemStatus == STATUS_ERROR) {
handleErrorState();
return;
}
if (modeChanged) {
changeOperationMode();
modeChanged = false;
}
uint32_t sendInterval = getSendInterval();
if (currentTime - lastSendTime >= sendInterval) {
// 读取传感器数据
IMUDataPart1 imuData1 = readIMUDataPart1();
IMUDataPart2 imuData2 = readIMUDataPart2();
EnvData envData = readEnvData();
SystemData sysData = readSystemData();
// 数据有效性检查
if (!checkDataValidity(imuData1, imuData2, envData)) {
systemStatus = STATUS_ERROR;
return;
}
// 打包并发送CAN消息
sendCANMessages(imuData1, imuData2, envData, sysData);
// 串口调试输出
if (currentTime % 2000 = 1000) {
// 读取所有传感器数据
IMUDataPart1 imuData1 = readIMUDataPart1();
IMUDataPart2 imuData2 = readIMUDataPart2();
EnvData envData = readEnvData();
Serial.println("=== Self-Test Results ===");
Serial.print("MPU6050: ");
Serial.println(mpu.testConnection() ? "OK" : "FAIL");
Serial.print("DHT11 Temp: ");
if (!isnan(envData.temperature)) {
Serial.print(envData.temperature);
Serial.println(" °C");
} else {
Serial.println("FAIL");
}
Serial.print("System Uptime: ");
Serial.print(millis() / 1000);
Serial.println("s");
Serial.println("========================");
lastTestTime = currentTime;
}
// 闪烁LED指示自检模式
digitalWrite(SELF_TEST_LED, (currentTime / 500) % 2);
}
// 初始化CAN
bool initCAN() {
if (mcp2515.reset() != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
if (mcp2515.setBitrate(CAN_125KBPS, MCP_8MHZ) != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
if (mcp2515.setNormalMode() != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
return true;
}
// 初始化CAN消息
void initCANMessages() {
// IMU数据第一部分 (ID: 0x101)
imuMsg1.can_id = 0x101;
imuMsg1.can_dlc = 8;
// IMU数据第二部分 (ID: 0x102)
imuMsg2.can_id = 0x102;
imuMsg2.can_dlc = 8;
// 环境数据消息 (ID: 0x103)
envMsg.can_id = 0x103;
envMsg.can_dlc = 8;
// 系统状态消息 (ID: 0x104)
sysMsg.can_id = 0x104;
sysMsg.can_dlc = 8;
}
// 读取IMU数据
IMUDataPart1 readIMUDataPart1() {
IMUDataPart1 data;
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
if (mpu.testConnection()) {
mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
data.accelX = ax;
data.accelY = ay;
data.accelZ = az;
data.gyroX = gx;
} else {
memset(&data, 0, sizeof(data));
}
return data;
}
IMUDataPart2 readIMUDataPart2() {
IMUDataPart2 data;
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
int16_t temp;
if (mpu.testConnection()) {
mpu.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);
temp = mpu.getTemperature(); // 正确读取温度值
data.gyroY = gy;
data.gyroZ = gz;
data.temperature = temp / 340 + 36.53 * 100; // 转换为摄氏度并放大100倍
data.reserved = 0;
} else {
memset(&data, 0, sizeof(data));
}
return data;
}
// 读取环境数据
EnvData readEnvData() {
EnvData data;
float temp = dht.readTemperature();
float hum = dht.readHumidity();
// 检查数据有效性并转换
if (!isnan(temp) && !isnan(hum)) {
data.temperature = (int16_t)(temp * 100); // 放大100倍保存为整数
data.humidity = (int16_t)(hum * 100); // 放大100倍保存为整数
} else {
data.temperature = -9999; // 错误值
data.humidity = -9999; // 错误值
}
data.readTime = millis();
return data;
}
// 读取系统数据
SystemData readSystemData() {
SystemData data;
data.systemStatus = systemStatus;
data.operationMode = currentMode;
data.errorCode = ERROR_NONE;
data.batteryLevel = analogRead(A0) / 13;
data.uptime = millis() - startTime;
return data;
}
// 检查数据有效性
bool checkDataValidity(IMUDataPart1 imu1, IMUDataPart2 imu2, EnvData env) {
// 检查MPU6050数据
if (abs(imu1.accelX) > 30000 || abs(imu1.accelY) > 30000 || abs(imu1.accelZ) > 30000) {
systemStatus = STATUS_ERROR;
return false;
}
// 检查DHT11数据
if (env.temperature 8000 ||
env.humidity 10000) {
systemStatus = STATUS_ERROR;
return false;
}
return true;
}
// 发送CAN消息
void sendCANMessages(IMUDataPart1 imu1, IMUDataPart2 imu2, EnvData env, SystemData sys) {
// 打包IMU数据第一部分
memcpy(imuMsg1.data, &imu1, sizeof(imu1));
if (mcp2515.sendMessage(&imuMsg1) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send IMU data part 1");
} else {
Serial.println("IMU data part 1 sent successfully");
}
// 打包IMU数据第二部分
memcpy(imuMsg2.data, &imu2, sizeof(imu2));
if (mcp2515.sendMessage(&imuMsg2) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send IMU data part 2");
} else {
Serial.println("IMU data part 2 sent successfully");
}
// 打包环境数据
memcpy(envMsg.data, &env, sizeof(env));
if (mcp2515.sendMessage(&envMsg) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send environment data");
} else {
Serial.println("Environment data sent successfully");
}
// 打包系统数据
memcpy(sysMsg.data, &sys, sizeof(sys));
if (mcp2515.sendMessage(&sysMsg) != MCP2515::ERROR_OK) {
Serial.println("Failed to send system data");
} else {
Serial.println("System data sent successfully");
}
}
// 获取发送间隔（根据模式）
uint32_t getSendInterval() {
switch(currentMode) {
case MODE_HIGH_PRECISE: return 50; // 20Hz
case MODE_NORMAL: return 100; // 10Hz
case MODE_LOW_POWER: return 500; // 2Hz
default: return 100;
}
}
// 模式切换中断服务函数
void modeButtonISR() {
static unsigned long lastInterruptTime = 0;
unsigned long interruptTime = millis();
if (interruptTime - lastInterruptTime > 300) {
modeChanged = true;
}
lastInterruptTime = interruptTime;
}
// 切换操作模式
void changeOperationMode() {
currentMode = (currentMode + 1) % 3;
Serial.print("Mode changed to: ");
switch(currentMode) {
case MODE_NORMAL:
Serial.println("Normal Mode");
break;
case MODE_HIGH_PRECISE:
Serial.println("High Precision Mode");
break;
case MODE_LOW_POWER:
Serial.println("Low Power Mode");
break;
}
}
// 错误状态处理
void handleErrorState() {
digitalWrite(SELF_TEST_LED, (millis() / 200) % 2); // 快速闪烁
// 尝试恢复
if (millis() % 5000 < 100) {
Serial.println("Attempting system recovery...");
selfTest();
if (mpu.testConnection() && !isnan(dht.readTemperature())) {
systemStatus = STATUS_NORMAL;
Serial.println("System recovered successfully");
}
}
}
// 更新状态LED
void updateStatusLED() {
switch(systemStatus) {
case STATUS_NORMAL:
// 根据模式设置不同的闪烁频率
uint32_t blinkInterval;
switch(currentMode) {
case MODE_NORMAL: blinkInterval = 1000; break;
case MODE_HIGH_PRECISE: blinkInterval = 300; break;
case MODE_LOW_POWER: blinkInterval = 2000; break;
default: blinkInterval = 1000;
}
digitalWrite(SELF_TEST_LED, (millis() % blinkInterval) < (blinkInterval / 2));
break;
case STATUS_ERROR:
digitalWrite(SELF_TEST_LED, (millis() / 200) % 2); // 快速闪烁
break;
}
}
// 调试信息输出
void printDebugInfo(IMUDataPart1 imu1, IMUDataPart2 imu2, EnvData env, SystemData sys) {
Serial.println("=== Sensor Data ===");
Serial.print("IMU - Accel: ");
Serial.print(imu1.accelX); Serial.print(", ");
Serial.print(imu1.accelY); Serial.print(", ");
Serial.print(imu1.accelZ);
Serial.print(" | Gyro: ");
Serial.print(imu1.gyroX); Serial.print(", ");
Serial.print(imu2.gyroY); Serial.print(", ");
Serial.print(imu2.gyroZ);
Serial.print(" | Temp: "); Serial.print(imu2.temperature / 100.0); Serial.println("°C");
Serial.print("Env - Temp: ");
Serial.print(env.temperature / 100.0);
Serial.print("°C, Humidity: "); Serial.print(env.humidity / 100.0); Serial.println("%");
Serial.print("System - Mode: "); Serial.print(sys.operationMode);
Serial.print(", Battery: "); Serial.print(sys.batteryLevel);
Serial.print("%, Uptime: "); Serial.print(sys.uptime / 1000); Serial.println("s");
Serial.println("===================");
}2.2 接收端代码
（1）显示系统架构设计
// 显示模式状态机
void updateDisplay() {
if (!displayNeedsRefresh) return;
// 根据当前模式调用对应的显示函数
switch(displayMode) {
case DISPLAY_MODE_OVERVIEW:
displayOverview(); // 综合信息界面
break;
case DISPLAY_MODE_IMU:
displayIMUData(); // 详细IMU数据
break;
case DISPLAY_MODE_ENV:
displayEnvData(); // 环境数据界面
break;
case DISPLAY_MODE_SYSTEM:
displaySystemInfo(); // 系统状态信息
break;
case DISPLAY_MODE_SELF_TEST:
displaySelfTestScreen(); // 自检界面
break;
}
displayNeedsRefresh = false; // 清除刷新标志
}（2）数据接收与处理
void processCANMessages() {
if (mcp2515.readMessage(&canMsg) == MCP2515::ERROR_OK) {
lastDataTime = millis(); // 更新最后接收时间
// 基于CAN ID的数据分类处理
switch(canMsg.can_id) {
case 0x101: // IMU数据第一部分
memcpy(¤tIMU1, canMsg.data, sizeof(currentIMU1));
break;
case 0x102: // IMU数据第二部分
memcpy(¤tIMU2, canMsg.data, sizeof(currentIMU2));
// 可添加数据完整性校验
break;
case 0x103: // 环境数据
memcpy(¤tEnv, canMsg.data, sizeof(currentEnv));
break;
case 0x104: // 系统状态
memcpy(¤tSystem, canMsg.data, sizeof(currentSystem));
// 更新系统状态指示
updateSystemStatus();
break;
}
// 设置显示刷新标志，避免频繁刷新
displayNeedsRefresh = true;
}
}处理发送端不同CAN ID数据，memcpy内存拷贝到目标结构体，确保：消息数据长度（CAN 标准帧最大 8 字节）= 目标结构体大小
（3）接收端完整代码
#include
#include
#include
#include
// CAN相关定义
struct can_frame canMsg;
MCP2515 mcp2515(53);
// ST7789显示屏定义
#define TFT_CS 10
#define TFT_SCK 9
#define TFT_MOSI 8
#define TFT_RST 7
#define TFT_DC 6
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCK, TFT_RST);
// 引脚定义
const int SELF_TEST_BUTTON = 12;
const int DISPLAY_MODE_BUTTON = 13;
// 数据结构（与发送端匹配）
typedef struct {
int16_t accelX;
int16_t accelY;
int16_t accelZ;
int16_t gyroX;
} IMUDataPart1;
typedef struct {
int16_t gyroY;
int16_t gyroZ;
int16_t temperature;
uint16_t reserved;
} IMUDataPart2;
typedef struct {
int16_t temperature;
int16_t humidity;
uint32_t readTime;
} EnvData;
typedef struct {
uint8_t systemStatus;
uint8_t operationMode;
uint8_t errorCode;
uint8_t batteryLevel;
uint32_t uptime;
} SystemData;
// 显示模式定义
#define DISPLAY_MODE_OVERVIEW 0
#define DISPLAY_MODE_IMU 1
#define DISPLAY_MODE_ENV 2
#define DISPLAY_MODE_SYSTEM 3
#define DISPLAY_MODE_SELF_TEST 4
// 全局变量
IMUDataPart1 currentIMU1;
IMUDataPart2 currentIMU2;
EnvData currentEnv;
SystemData currentSystem;
// 状态变量
uint8_t displayMode = DISPLAY_MODE_OVERVIEW;
bool systemWarning = false;
unsigned long lastDataTime = 0;
bool selfTestMode = false;
unsigned long startTime = 0;
bool displayNeedsRefresh = true;
// 颜色定义
#define ST77XX_DARKBLUE 0x000F
#define ST77XX_DARKGREEN 0x03E0
#define ST77XX_DARKRED 0x7800
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("Starting Vehicle Monitoring System - Receiver");
// 初始化引脚
pinMode(SELF_TEST_BUTTON, INPUT_PULLUP);
pinMode(DISPLAY_MODE_BUTTON, INPUT_PULLUP);
// 初始化显示屏
tft.init(240, 240);
tft.setRotation(1);
tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
tft.setTextWrap(false);
// 显示启动界面
showStartupScreen();
// 初始化CAN
if (!initCAN()) {
showErrorScreen("CAN Init Failed");
while(1);
}
startTime = millis();
Serial.println("Receiver initialized successfully");
}
void loop() {
// 检查按钮输入
checkButtons();
// 自检模式
if (selfTestMode) {
runSelfTestMode();
return;
}
// 处理CAN消息
processCANMessages();
// 检查数据超时
checkDataTimeout();
// 更新显示（局部刷新）
updateDisplay();
delay(50);
}
// 初始化CAN
bool initCAN() {
if (mcp2515.reset() != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
if (mcp2515.setBitrate(CAN_125KBPS, MCP_8MHZ) != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
if (mcp2515.setNormalMode() != MCP2515::ERROR_OK) {
return false;
}
return true;
}
// 检查按钮输入
void checkButtons() {
static unsigned long lastButtonTime = 0;
unsigned long currentTime = millis();
if (currentTime - lastButtonTime 5000) { // 5秒无数据
systemWarning = true;
// 显示超时警告
tft.fillRect(0, 200, 240, 40, ST77XX_RED);
tft.setTextSize(2);
tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);
tft.setCursor(20, 210);
tft.println("NO DATA RECEIVED");
} else {
systemWarning = false;
}
}
// 运行自检模式
void runSelfTestMode() {
static unsigned long lastTestTime = 0;
unsigned long currentTime = millis();
if (displayNeedsRefresh) {
displaySelfTestScreen();
displayNeedsRefresh = false;
}
if (currentTime - lastTestTime >= 1000) {
updateSelfTestScreen();
lastTestTime = currentTime;
}
}
// 显示自检屏幕
void displaySelfTestScreen() {
tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
displayHeader("SELF-TEST");
tft.setTextSize(2);
tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);
tft.setCursor(50, 50);
tft.println("SYSTEM TEST");
tft.setCursor(50, 80);
tft.println("IN PROGRESS...");
}
// 更新自检屏幕
void updateSelfTestScreen() {
tft.fillRect(0, 120, 240, 120, ST77XX_BLACK);
tft.setTextSize(2);
tft.setCursor(10, 120);
// CAN通信状态
tft.setTextColor(lastDataTime > 0 ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);
tft.print("CAN: ");
tft.println(lastDataTime > 0 ? "OK" : "FAIL");
// 数据时效性
tft.setCursor(10, 150);
uint32_t timeSinceLastData = millis() - lastDataTime;
tft.setTextColor(timeSinceLastData 70) return ST77XX_GREEN;
if (level > 30) return ST77XX_YELLOW;
return ST77XX_RED;
}
// 串口调试输出
void printReceivedData() {
Serial.println("=== Received Data ===");
Serial.print("IMU - Accel: ");
Serial.print(currentIMU1.accelX); Serial.print(", ");
Serial.print(currentIMU1.accelY); Serial.print(", ");
Serial.print(currentIMU1.accelZ);
Serial.print(" | Temp: "); Serial.println(currentIMU2.temperature);
Serial.print("Env - Temp: ");
Serial.print(currentEnv.temperature);
Serial.print("C, Humidity: "); Serial.println(currentEnv.humidity);
Serial.print("System - Status: "); Serial.print(currentSystem.systemStatus);
Serial.print(", Mode: "); Serial.print(currentSystem.operationMode);
Serial.print(", Battery: "); Serial.println(currentSystem.batteryLevel);
Serial.println("=====================");
}系统流程图
三、项目演示
3.1 操作流程
（1）硬件连接和烧录
按照接线表完成所有硬件连接，分别烧录发送端和接收端程序
（2）系统启动错误界面
上电后观察启动界面和自检过程，当前显示为错误界面："CAN Init Failed"
（3）观察DHT11温湿度变化
切换到displayEnvData()温湿度数据显示界面，没有数据传输时屏幕底部显示"NO DATA RECEIVED"
3.2 演示视频
MCP2515实现CAN通信与数据采集
发送端获取MPU6050和DHT11传感器的数据，通过MCP2515 CAN通信模块传输到接收端零知增强板的显示屏上
四、MCP2515工作原理详解
SPI总线的CAN控制器芯片MCP2515，通过SPI通信的CAN扩展芯片最高可实现1Mbps的遵循CAN 2.0B的协议通信
4.1 CAN总线结构
（1）闭环结构总线网络
将MCP2515 模块上的120Ω电阻排针短接，CAN总线两端各连接一个120欧的电阻，两根信号线形成回路。采用CAN总线网络的闭环结构
CAN总线由两根信号线 CANH和CANL，没有时钟同步信号。所以CAN是一种异步通信方式，与UART的异步通信方式类似
（2）额定总线电平
信号线的电压差CANH-CANL表示CAN总线的电平，与传输的逻辑信号1或0对应。对应于逻辑1的称为隐性（Recessive）电平，对应于逻辑0成为显性（Dominant）电平
隐性电平在电压差0附近，显性电平主要在电压差2V附近
（3）CAN位时序和波特率
通过位时序的控制，CAN总线可以进行位同步，以吸收节点时钟差异产生的波特率误差，保证接收数据的准确性
标称位事件（Nominal Bit Time，NBT）指的是传输一个位数据的时间，用于确定CNA总线的波特率
4.2 SPI接口数据交换
MCP2515支持最高10MHz的SPI通信，可直接与微控制器上的SPI外设连接，并支持模式0和模式3，遵从SPI协议，可通过CS引脚片选的下拉开启通信；同时应注意，在传输另一个指令前应将片选置高后再拉低
SPI发送操作指令
在MCP2515中，SPI发送的首个字节即为操作指令，上图为操作指令集
1）读指令
将CS引脚拉低后，向MCP2515依次发送读指令和 8 位地址码， MCP2515 会将指定地址寄存器中的数据通过 SO引脚移出。每一数据字节移出后，器件内部的地址指针将自动加一以指向下一个地址。因此，通过持续提供时钟脉冲，可以对下一个连续地址寄存器进行读操作。通过该方法可以顺序读取任意个连续地址寄存器中的数据。通过拉高CS引脚电平可以结束读操作。
2）读接收缓冲区指令
读取接收信息的常用指令，与读指令相比，省略了一个字节的地址位，同时会在CS引脚拉高后自动清零接收标志位(CANINTF.RXnIF)，不用手动执行清零指令，强烈建议在读取接收缓冲区数据时使用本指令。
3）写指令
将CS引脚拉低后，向MCP2515依次发送写指令、地址码和至少一个字节的数据（如果是多个数据，其地址是连续的）。
4）装载发送缓冲区指令
和读取接收缓冲区类似，该指令也省略了一个字节的地址位，可以更快速的写入发送帧的标志ID、拓展ID、DLC和数据帧，同样强烈建议使用该指令装载发送帧。
5）请求发送指令
使用RTS命令可以启动一个或多个发送缓冲器的报文发送，该命令的bit3-bit0显示了哪些发送缓冲器被使能发送，该命令会将缓冲器对应的TxBnCTRL.TXREQ 位置1；如果发送的RTS命令中nnn =000，将忽略该命令。
6）位操作指令
该指令允许对寄存器的指定位进行置“1”或清零操作，在片选拉低后，以此发送位操作指令、寄存器地址、掩码和数据码，其中掩码位为“1”的允许进行更改，“0”则不允许更改；对于允许更改的位，数据码即为寄存器将被修改的目标码。
并非所有寄存器均支持位操作指令，只有标灰色的寄存器可进行位操作
7）读状态指令
读状态指令允许单条指令访问常用的报文接收和发送状态位。
8）RX状态指令
RX 状态指令用于快速确定与报文和报文类型（标准帧、扩展帧或远程帧）相匹配的过滤器。命令字节发送后，控制器会返回包含状态信息的 8 位数据
五、常见问题解答
Q1: 为什么CAN通信经常失败？
A: 常见原因包括：
波特率设置不匹配、终端电阻未正确连接（120Ω）、SPI时序配置错误、电源噪声干扰
Q2: MPU6050数据读取异常怎么办？
A: 检查步骤：
确认I2C地址是否正确（通常0x68或0x69）、检查电源电压是否稳定、验证I2C上拉电阻是否连接、检查传感器初始化序列
Q3: 数据发送间隔如何优化？
A: 根据应用需求调整：
uint32_t getSendInterval() {
switch(currentMode) {
case MODE_HIGH_PRECISE: return 50; // 20Hz，实时控制
case MODE_NORMAL: return 100; // 10Hz，平衡模式
case MODE_LOW_POWER: return 500; // 2Hz，节能模式
}
}项目资源整合
MCP2515库文件：autowp/mcp2515
浙公网安备 33010602011771号