STM32开发（五）STM32F103 通信 —— CAN通信编程详解

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一、基础知识点

了解CAN通讯协议以及CAN 协议及标准规格 。本实验是基于STM32F103开发的CAN通信，来一起研究下STM32数据手册 中CAN的特色。
准备好了吗？开始我的show time。

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二、开发环境

1、硬件开发准备

主控：STM32F103ZET6
CAN收发器：TJA1040T

2、软件开发准备

软件开发使用虚拟机 + VScode + STM32Cube 开发STM32，在虚拟机中直接完成编译下载。
该部分可参考：软件开发环境构建

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三、STM32CubeMX相关配置

1、STM32CubeMX基本配置

本实验基于CubeMX详解构建基本框架 进行开发。

2、STM32CubeMX CAN相关配置

（1）时钟配置
由于CAN在APB1时钟线上，APB1时钟配置36M

（2）配置CAN参数

• 开启主CAN配置
  
• 位时序配置
  位时序顾名思义就是传输一个位的时序（如0或1）。位时序结构：同步段(SYNC_SEG)、时间段1(BS1)、时间段2(BS2)
  假j把CAN的时钟配置为500KHz
  （1）将系统时间36M进行4分频，则36M/4 = 9M
  （2）位时序中同步段(SYNC_SEG)固定1Tq；STM32时间段1(BS1)包含两部分：传播时间段和相位缓冲时间段1，可以分配11Tq；时间段2(BS2)包含相位缓冲时间段2，可以分配6Tq。
  这样1位由18个 Tq 构成，则9M/18 = 500K
  按照以上的配置可以实现CAN 500K通信。

• 基本模式配置
  根据自己需要进行配置，这里实验都不需要，直接disable关掉
  
  自动重发数据：若使能，数据出错了可以重新发送数据
  接收FIFO锁定模式：若使能，FIFO数据不可以重叠，更替
  发送FIFO优先级：若关闭，就按照邮箱的优先级来发送数据；若使能，就按照自己设定的优先级发送。

• CAN工作模式配置
  
  模式选择：正常模式、静默模式、环回模式、环回静默模式。
  实验选用正常模式、环回模式测试CAN通信。

• 中断模式配置
  在NVIC Settings选项卡中将CAN接收中断使能打开
  
  设置中断优先级
  

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四、Vscode代码讲解

1、构建一个can相关结构体

//定义结构体类型
typedef struct
{
  uint32_t CAN_Work_Mode;         // CAN 工作模式

  uint8_t tx_buff[8];             // 发送缓存
  uint8_t rx_buff[8];             // 接收缓存
  
  void (*Mycan_Init)(void);        // CAN 初始化             
  uint8_t (*Mycan_Send_Message)(uint8_t *p_tx_buff, uint32_t *pMycan_MAILBOX_Num);  // 发送信息
  void (*Mycan_recevie_Message)(uint8_t *p_rx_buff);                                // 接收信息

  uint8_t RX_status_Flag;         // 接收标志位
} Mycan_t;

2、定义can结构体

Mycan_t Mycan ={
    CAN_MODE_NORMAL,            // 正常接收发送模式

    {0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77},
    {0},

    Mycan_Init,                     
    Mycan_Send_Message,
    Mycan_recevie_Message,

    FALSE            // 默认没有接收到信息
};

3、初始化CAN
（1）can过滤器配置
FilterBank：要配置的过滤器0（芯片一共14个，0-13）
FilterMode：选用标识符屏蔽模式（可以接收一组ID），若选择列表模式，只能接收一个特定的ID
FilterFIFOAssignment：将配置的过滤器0关联到FIFO0
FilterActivation：激活过滤器，若不激活接收不到任何数据
（2）使能接收挂起中断
在STM32CubeMX里面是时钟了接收的总中断，这里使能的是总中断下的挂起中断
CAN接收中断包括：挂起中断（只要有信息就触发中断）、满中断（FIFO都满了触发中断）、溢出中断（只有FIFO都满后还接收到数据就会触发中断）
（3）启动CAN

  void Mycan_Init(void)
  {
    CAN_FilterTypeDef Mycan_Filter;

    // 配置过滤器
    Mycan_Filter.FilterIdHigh         = 0x34;                 // 过滤器需要过滤高ID
    Mycan_Filter.FilterIdLow          = 0x00;                 // 过滤器需要过滤低ID
    Mycan_Filter.FilterMaskIdHigh     = 0x00;                 // 过滤器掩码 '0'位不限制 
    Mycan_Filter.FilterMaskIdLow      = 0x00;                 // 过滤器掩码 '0'位不限制
    Mycan_Filter.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;     // 挂在过滤器FIFO0
    Mycan_Filter.FilterBank           = 0;                    // 过滤器0
    Mycan_Filter.FilterMode           = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // ID掩码模式
    Mycan_Filter.FilterScale          = CAN_FILTERSCALE_16BIT; // 16位过滤器
    Mycan_Filter.FilterActivation     = CAN_FILTER_ENABLE;     // 激活过滤器
    Mycan_Filter.SlaveStartFilterBank = 14;                  

    // 配置过滤器
    if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &Mycan_Filter) != HAL_OK)
    {
        printf("DWB --- can配置过滤器失败\n");
        System.Error_handler();
    }

    // 使能FIFO接收到一个新报文中断
    if(HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != HAL_OK)
    {
        printf("DWB --- can使能接收挂起中断失败\n");
        System.Error_handler();
    }

    if(HAL_CAN_Start(&hcan) != HAL_OK)
    {
        printf("DWB --- can开启失败\n");
        System.Error_handler();
    }

    printf("DWB --- can配置并开启成功！\n");
  }    

4、CAN发送
（1）CAN发送数据时序配置
定义发送时序参数，通过HAL_CAN_AddTxMessage函数发送数据到邮箱
（2）等待发送数据成功
延时1s时间，1s内反复通过HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel函数检查空邮箱的个数。如果空邮箱个数等于3，则说明数据已经发送成功。

  uint8_t Mycan_Send_Message(uint8_t *p_tx_buff, uint32_t *pMycan_MAILBOX_Num)
  {
      CAN_TxHeaderTypeDef Mycan_TxHeader;

      // 配置发送头
      Mycan_TxHeader.StdId              = 0x34;                    // 发送设备标准ID
      Mycan_TxHeader.ExtId              = 0x00;                    // 扩展ID
      Mycan_TxHeader.IDE                = CAN_ID_STD;              // can标准ID模式
      Mycan_TxHeader.RTR                = CAN_RTR_DATA;            // 数据帧
      Mycan_TxHeader.DLC                = 8;                       // 传输长度8
      Mycan_TxHeader.TransmitGlobalTime = DISABLE;                 // 时间戳 不使能

      // 发送数据到邮箱并判断状态
      if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &Mycan_TxHeader, p_tx_buff, pMycan_MAILBOX_Num) != HAL_OK)
      {
          printf("DWB --- 发送数据到邮箱失败\n");
          return send_date_fail;
      }

      uint8_t rtc_seconds_t = Myrtc.pMyrtc_current_time->Seconds+1;
      do
      {
        if(rtc_seconds_t == Myrtc.pMyrtc_current_time->Seconds)
        {
            printf("DWB --- 数据未发出 \n");
            return send_date_fail;
        }
      } while (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) != 3);

      printf("DWB --- 数据发送成功 \n\r");
      return send_date_success;
  }

5、主函数中调用发送接收函数
（1）调用结构体CAN发送函数成员进行数据发送
（2）通过RX_status_Flag标识符判断是否接收到数据，后调用Mycan_recevie_Message接收

    res = Mycan.Mycan_Send_Message(Mycan.tx_buff, &MailBox_num);
    printf("DWB --- MailBox_num = %ld\n\r", MailBox_num);
    if(!res && TRUE == Mycan.RX_status_Flag){
        Mycan.Mycan_recevie_Message(Mycan.rx_buff);
        Mycan.RX_status_Flag = FALSE;
    }

6、CAN接收中断函数
在初始化中CAN使能接收挂起中断。当有接收到数据就会调用中断函数
__weak void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)

这个函数是弱函数，直接重构就好了。

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan_t)
{
  CAN_RxHeaderTypeDef pMycan_tx_Head;
  // HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t RxFifo, CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[]);
  if (HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_RX_FIFO0, &pMycan_tx_Head, Mycan.rx_buff) == HAL_OK)
    Mycan.RX_status_Flag = TRUE;
}

调用HAL_CAN_GetRxMessage函数接收数据，这里数据从CAN_RX_FIFO0中读取。
为什么是FIFO0呢？因为在初始化过滤器的时候将其关联到FIFO0上。

解析接收的过程
中断初始化中，使能USB_LP_CAN1_RX0_IRQn CAN接收中断

static void MX_NVIC_Init(void)
{
  /* RTC_Alarm_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(RTC_Alarm_IRQn, 1, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(RTC_Alarm_IRQn);
  /* USB_LP_CAN1_RX0_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(USB_LP_CAN1_RX0_IRQn, 2, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(USB_LP_CAN1_RX0_IRQn);            // can接收总中断使能
}

CAN初始化中使能接收挂起中断

    // 使能FIFO接收到一个新报文中断
    if(HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != HAL_OK)
    {
        printf("DWB --- can使能接收挂起中断失败\n");
        System.Error_handler();
    }

CAN接收数据时，
（1）触发USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler回调函数

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 0 */

  /* USER CODE END USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 0 */
  HAL_CAN_IRQHandler(&hcan);
  /* USER CODE BEGIN USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USB_LP_CAN1_RX0_IRQn 1 */
}

（2）在HAL_CAN_IRQHandler函数中判断中断标志位为CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING（挂起中断，在初始化中使能挂起中断）
USE_HAL_CAN_REGISTER_CALLBACKS宏定义为0，则调用HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback回调函数（这个函数是弱化函数，重构该函数之后就会调用重构函数）

void HAL_CAN_IRQHandler(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
    ......
  /* Receive FIFO 0 message pending interrupt management *********************/
  if ((interrupts & CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != 0U)
  {
    /* Check if message is still pending */
    if ((hcan->Instance->RF0R & CAN_RF0R_FMP0) != 0U)
    {
      /* Receive FIFO 0 message pending Callback */
#if USE_HAL_CAN_REGISTER_CALLBACKS == 1
      /* Call registered callback*/
      hcan->RxFifo0MsgPendingCallback(hcan);
#else
      /* Call weak (surcharged) callback */
      HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(hcan);
#endif /* USE_HAL_CAN_REGISTER_CALLBACKS */
    }
  }
    ......
}

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五、结果演示

CAN 内部回环测试

代码设置回环测试，can自发自收。

串口打印发送成功后接收到的数据内容以及发送邮箱号。

CAN 正常模式测试

代码模式配置为正常模式

两块板子CAN相互通信背景：用另一块STM32开发板上的CAN通信与本实验中的板子CAN（打印信息有DWB）通信。
实验板子CAN发送（左图），STM32开发板CAN接收（右图）。两个板子CANH对应相连；CANL对应相连。

实验板子CAN接收（左图），STM32开发板CAN发送（右图）。两个板子CANH对应相连；CANL对应相连。

使用ADALM2000分析工具解析CAN时序

整体波形：

开始帧（1位）
右下角，传输1位的时间为1.998μs，和软件里配置的时间1999.99ns时间一致（500000Hz）

设备ID位（标准帧ID 11位）
解析出来的配置为0x34与软件配置一致（00000110100）
注：由于位补充（在发送数据帧和遥控帧时， SOF～CRC 段间的数据，相同电平如果持续 5 位，在下一个位（第 6 个位）则要插入 1 位与前 5 位反型的电平）的原因，中间有插入一个补充位1（绿色1）

RTR（1位数据帧）、IDE（1位标准ID模式）、RB0（保留位）、数据长度码（8位）
由于连续5位0，则中间添加补充位1

数据（8个字节）

CRC（校验位15位）、CRC d（CRC 界定符（用于分隔的位）1位）、ACK（用来确认是否正常接收2位）

结束帧