STM32CubeMX教程21 CAN - 双机通信

1、准备材料

开发板（正点原子stm32f407探索者开发板V2.4）

STM32CubeMX软件（Version 6.10.0）

野火DAP仿真器

keil µVision5 IDE（MDK-Arm）

ST-LINK/V2驱动

CH340G Windows系统驱动程序（CH341SER.EXE）

XCOM V2.6串口助手

2、实验目标

使用STM32CubeMX软件配置两台STM32F407开发板的CAN1模块实现双机通信

3、实验流程

3.0、前提知识

3.0.1、CAN总体概述

STM32F407内部有两个CAN控制器，其中CAN1做为主CAN拥有所有的权限，而CAN2做为从CAN不能单独设置验证筛选器，每个CAN都有3个发送邮箱和两个接收FIFO，每个接收FIFO可以存储三条完整消息，具体的CAN框图如下图所示 （注释1）

CAN的总线网络结构有开环和闭环两种形式

闭环网络结构下，两根信号线H/L组成一个环路，在网络环路的两端连接120欧姆的电阻，这种网络是一种高速、短距离的CAN网络，通信速率最高1Mbit/s；

开环网络结构下，两根信号线H/L各自独立，在两根信号线上各自串联一个2.2千欧的电阻，这种网络是一种低速、远距离的CAN网络，通信速率最高125kbit/s；

如下图所示为开环/闭环的CAN总线网络结构 （注释2）

不管是开环还是闭环CAN网络结构都可以挂载多个节点，CAN网络上的每个节点由CAN控制器和CAN收发器组成，STM32F407内部集成的是CAN控制器，因此硬件设计时需要外部搭载CAN收发器才可以组成一个完整的CAN节点，如下图所示为笔者使用的开发板上搭载的CAN收发器芯片硬件原理图

这里CAN收发器芯片的TX/RX引脚并没有直接与单片机CAN1控制器的TX/RX引脚相连接，而是通过了一个跳线帽来进行调节，读者在做该实验的时候应该注意USB/CAN排针座应该利用跳线帽将CAN_TX/RX引脚与USB_D+/D-进行短接，具体硬件原理图如下图所示

3.0.2、CAN位时序和波特率

CAN通信是一种异步通信，异步通信的收发双方无时钟同步，因此需要确保收发双方发送/接收一帧数据的帧格式和波特率保持一致，这样才能保证收发双方正确的进行通信

CAN1/2挂载在APB1最高42MHz的时钟总线上，其一个时间片的长度由PCLK1频率和CAN分频参数决定，假设PCLK1频率为25MHz，CAN分频参数位5，则一个时间片的长度为5/25Mhz=0.0000002s=0.0002ms=0.2us=200ns

CAN网络上一个节点采集一个位数据的时序叫做位时序，位时序由同步段（SYNC_SEG）、位段 1（BS1）和位段2（BS2）三段组成，其中同步段固定为一个时间片，在该段总线上应该发生一次位信号的跳变；位段1定义了采样点的位置，其可以是1-16个时间片；位段2定义了发送点的位置，其可以是1-8个时间片；

除了上面几个可调节的参数外，CAN还有一个再同步跳转宽度（SJW）参数可以调节，其取值可以是1-4个时间片，通过调节该参数长短决定了CAN再同步时自动调节位段1和位段2长度缩短/加长的上限，此处笔者未深究该参数

通过调节时钟分频、位段1、位段2和再同步跳转宽度SJW四个参数，就可以确定CAN通信的波特率，如下图所示位位序数的结构图 （注释1）

3.0.3、CAN帧格式

CAN通信过程中共有数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧和帧间空间五种不同用途的帧，其中数据帧和遥控帧又有标准格式的帧和扩展格式的帧两种，数据帧可以理解为CAN网络上的节点发送消息ID+要发送的数据，遥控帧可以理解为CAN网络上某个节点需要另外一个节点的数据，收到遥控帧的节点就发送对应的数据给请求数据的节点，这里不详细介绍每个帧的格式，想要知道具体帧格式的读者请阅读其他文章，如下图所示为CAN数据/遥控帧一帧的结构图 （注释1）

在HAL库中有一个CAN发送消息头结构体CAN_TxHeaderTypeDef，以下为结构体内主要定义参数

1. IDE（帧格式）：可选参数CAN_ID_STD（标准格式帧）和CAN_ID_EXT（扩展格式帧）
2. StdId（标准格式帧ID）：可选值范围0-0x7FF（11位）
3. ExtId（扩展格式帧ID）：可选值范围0-0x1FFF FFFF（29位，其中标准11位+扩展18位）
4. RTR（帧类型）：可选参数CAN_RTR_DATA（数据帧）和CAN_RTR_REMOTE（遥控帧）
5. DLC（发送数据的长度）：可选值范围0-8
6. TransmitGlobalTime（传输时间戳使能）：ENABLE/DISABLE

3.0.4、CAN验收筛选器

CAN网络上的所有节点没有地址的概念，因此当某个节点发送了特定ID的一条数据帧的时候，所有节点都会收到该帧消息，但是该帧应该只被需要接收该帧的节点接收，而其他不需要接收该数据帧的节点应该自动筛除掉该消息，减少资源浪费，那一个节点如何判断是否应该接收该帧呢？

配置CAN控制器的验收筛选器，STM32F407的CAN提供了28个可调整/可配置的标识符筛选器组，注意CAN1/2共用这个标识符筛选器组，而且CAN2不能够单独直接配置，需要使用CAN1来配置，这里的筛选功能为硬件筛选功能，无需软件筛选，可以节省软件筛选所需的CPU资源

筛选器可配置为掩码模式或标识符列表模式，在掩码模式下，标识符寄存器与掩码寄存器关联，用以指示标识符的哪些位“必须匹配”，哪些位“无关”

在HAL库中有一个CAN过滤器配置结构体CAN_FilterTypeDef用于配置筛选器，以下为结构体内主要定义参数

1. FilterMode（筛选器模式）：可选参数CAN_FILTERMODE_IDMASK（掩码模式）和CAN_FILTERMODE_IDLIST（标识符列表模式）
2. FilterBank（筛选器组）：指定将初始化的筛选器组，单CAN时参数范围0-13，双CAN时参数范围0-27
3. FilterFIFOAssignment（分配给筛选器的FIFO）：指定分配给过筛选器的FIFO0/1，可选参数CAN_FILTER_FIFO0（FIFO0）和CAN_FILTER_FIFO1（FIFO1）
4. FilterScale（筛选器宽度）：CAN_FILTERSCALE_16BIT（两个16位）和CAN_FILTERSCALE_32BIT（一个32位）
5. FilterActivation（筛选器使能）：CAN_FILTER_DISABLE（不使能）和CAN_FILTER_ENABLE（使能）
6. FilterIdHigh（CAN_FxR1 的高16位）：在32位的屏蔽位模式下，用于指定这些位的标准值
7. FilterIdLow（CAN_FxR1 的低16位）：在32位的屏蔽位模式下，用于指定这些位的标准值
8. FilterMaskIdHigh（CAN_FxR2的高16位）：在32位的屏蔽位模式下，用于指定需要关心哪些位
9. FilterMaskIdLow（CAN_FxR2的低16位）：在32位的屏蔽位模式下，用于指定需要关心哪些位

这一部分很重要，不配置筛选器则CAN不能正常接收数据，具体配置请阅读本实验3.2.3小节程序,这里笔者自认为讲的不是很到位，读者可以阅读“STM32 CAN 过滤器、滤波屏蔽器配置总结”文章

3.0.5、CAN工作模式

CAN1/2有工作模式和测试模式两种模式，工作模式中又包括初始化模式、正常模式和睡眠模式三种，测试模式中包括静默模式、环回模式和环回与静默组合模式三种，测试模式主要用于测试单个CAN是否工作正常，本实验主要实现双机通信，因此CAN工作在正常模式即可，由于内容太多这里不再详细介绍，具体内容可参考STM32F4xx 参考手册 RM009，如下图所示为测试模式下结构示意图 （注释1）

3.0.6、CAN发送和接收流程

CAN1/2均有3个邮箱可以发送数据，当用户发送数据时只需要利用CAN_TxHeaderTypeDef结构体生成要发送的帧（具体可阅读本实验3.0.3小节），然后使用HAL_CAN_AddTxMessage()函数将生成的帧添加到邮箱即可，如果此时有空闲邮箱那么邮箱就会被挂起，当该邮箱具有最高优先级的时候就会安排发送出去，发送出去的过程完全由硬件实现，用户只需按要求生成帧，然后放入空闲邮箱即可，如下图所示为发送邮箱状态流程图 （注释1）

CAN1/2均有两个接收FIFO，每个接收FIFO都有三级深度，通俗理解就是有三个邮箱，可以接收三条信息，当发送的信息通过某个CAN网络上的节点验收筛选器成为一条有效信息时，那么该消息就会被该节点的CAN接收FIFO接收，同时该FIFO的接收0会被挂起，如果持续收到消息，该FIFO的接收1/2也会被挂起，直到三个邮箱全部用完，如果开启了CAN RX接收中断，那么当FIFO接收0/1/2/被挂起时会进入对应的中断服务回调函数中，当使用HAL_CAN_GetRxMessage()函数读取掉接收FIFO0/1的某级深度的消息时，该级别邮箱将会被释放，方便接收下一条消息，如下图所示为接收FIFO状态流程图 （注释1）

值得提醒的是，在本实验中由于笔者使用了两个一摸一样的开发板，因此下面配置的一套程序可以直接烧录到两个开发板上就可以通信，但是如果读者使用了不一样的开发板，每个板子的配置流程和下述流程一模一样，但请注意调节时钟树和CAN的参数配置时将两个开发板的CAN通信波特率调节为一致，两个开发板的连接应该如下图所示连接 （注释4）

另外就是尽量使用CAN1作为通信CAN，因为在STM32F407的两个CAN中CAN1为主CAN，本实验使用CAN2可能在接收信息时存在问题（大概率笔者没有彻底了解到应该对CAN2如何正确配置），读者可以自行尝试

3.1、CubeMX相关配置

3.1.0、工程基本配置

打开STM32CubeMX软件，单击ACCESS TO MCU SELECTOR选择开发板MCU（选择你使用开发板的主控MCU型号），选中MCU型号后单击页面右上角Start Project开始工程，具体如下图所示

开始工程之后在配置主页面System Core/RCC中配置HSE/LSE晶振，在System Core/SYS中配置Debug模式，具体如下图所示

详细工程建立内容读者可以阅读“STM32CubeMX教程1 工程建立”

3.1.1、时钟树配置

本实验时钟树建议按照下图所示将MCU时钟频率配置为100MHz，APB1时钟频率配置为25MHz，这样设置是为了能够得到一个整数的时间片，当然也可以和之前的实验类似，将所有总线频率均设置为最高频率

3.1.2、外设参数配置

本实验需要初始化开发板上KEY2用户按键做普通输入，具体配置步骤请阅读“STM32CubeMX教程3 GPIO输入 - 按键响应”

本实验需要需要初始化USART2作为输出信息渠道，具体配置步骤请阅读“STM32CubeMX教程9 USART/UART 异步通信”

单击Pinout & Configuration页面左边Connectivity/CAN1，在Mode中勾选Activated激活CAN1，在其下方的参数配置栏目中按照图示参数配置即可，位时序参数详解可以阅读本实验“3.0.2、CAN位时序和波特率”小节

3.1.3、外设中断配置

在Pinout & Configuration页面左边System Core/NVIC中勾选CAN1 TX interrupts和CAN1 RX0 interrupts发送接收两个中断，然后选择合适的中断优先级即可，具体如配置下图所示

3.2、生成代码

3.2.0、配置Project Manager页面

单击进入Project Manager页面，在左边Project分栏中修改工程名称、工程目录和工具链，然后在Code Generator中勾选“Gnerate peripheral initialization as a pair of 'c/h' files per peripheral”，最后单击页面右上角GENERATE CODE生成工程，具体如下图所示

详细Project Manager配置内容读者可以阅读“STM32CubeMX教程1 工程建立”实验3.4.3小节

3.2.1、外设初始化调用流程

在生成的工程代码中新增加了MX_CAN1_Init()函数，该函数对CAN1的参数进行了配置，并调用了CAN初始化函数HAL_CAN_Init()

在该CAN初始化函数HAL_CAN_Init()中调用了HAL_CAN_MspInit()函数对外设CAN1所需要的时钟使能，引脚复用和中断进行了配置

CAN1具体初始化调用流程如下图所示

3.2.2、外设中断调用流程

在STM32CubeMX中勾选CAN1的TX中断和RX0中断后，会在生成的工程代码stm32f4xx_it.c中新增CAN1_TX_IRQHandler()和CAN1_RX0_IRQHandler()中断服务函数

这两个中断服务函数均调用了HAL库的CAN中断统一处理函数HAL_CAN_IRQHandler()，在该函数中当CAN1邮箱0发送完成消息后会调用HAL_CAN_TxMailbox0CompleteCallback()函数，当CAN1FIFO0消息挂起时会调用HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback()函数，这两个函数均为虚函数，需要用户重新实现

CAN1接收/发送中断具体调用流程如下图所示

3.2.3、添加其他必要代码

在can.c中添加FIFO0的消息筛选器函数CAN_SetFilters()，然后添加CAN发送数据测试函数CAN1_Send_Test()，具体源代码如下所示 （注释3）

//设置筛选器,要在完成CAN初始化之后调用此函数
HAL_StatusTypeDef CAN_SetFilters(void)
{
    CAN_FilterTypeDef	canFilter;                      //筛选器结构体变量
     // Configure the CAN Filter
    canFilter.FilterBank = 0;		                    //筛选器组编号
    canFilter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;	    //ID掩码模式
    canFilter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;	    //32位长度
    //设置1：接收所有帧
    //  canFilter.FilterIdHigh = 0x0000;		            //CAN_FxR1 的高16位
    //	canFilter.FilterIdLow = 0x0000;			            //CAN_FxR1 的低16位
    //	canFilter.FilterMaskIdHigh = 0x0000;	            //CAN_FxR2的高16位。所有位任意
    //	canFilter.FilterMaskIdLow = 0x0000;		            //CAN_FxR2的低16位，所有位任意
    //设置2：只接收stdID为奇数的帧
    canFilter.FilterIdHigh = 0x0020;		            //CAN_FxR1 的高16位
    canFilter.FilterIdLow = 0x0000;			            //CAN_FxR1 的低16位
    canFilter.FilterMaskIdHigh = 0x0020;	            //CAN_FxR2的高16位
    canFilter.FilterMaskIdLow = 0x0000;		            //CAN_FxR2的低16位

    canFilter.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;		//应用于FIFO0
    canFilter.FilterActivation = ENABLE;		        //使用筛选器
    canFilter.SlaveStartFilterBank = 14;		        //从CAN控制器筛选器起始的Bank
    HAL_StatusTypeDef result=HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &canFilter);
    return result;
}

/*CAN发送数据测试函数*/
void CAN1_Send_Test(uint32_t msgid, uint8_t *data)
{
    TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;                         //设置ID类型
    TxMessage.StdId = msgid;                            //设置ID号
    TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;                       //设置传送数据帧
    TxMessage.DLC = 4;                                  //设置数据长度
    if(HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxMessage, data, &TxMailbox) != HAL_OK)
    {
        printf("CAN send test data fail!\r\n");
        Error_Handler();
    }
}

在can.c中重新实现CAN接收/发送中断处理函数，具体源代码如下所示

/*CAN接收FIFO0挂起中断处理函数*/
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
    uint8_t  data[8];
    HAL_StatusTypeDef status;
    if(hcan == &hcan1)
    {
        status = HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &RxMessage, data);
        if (HAL_OK == status)
        {
            printf("--->Data Receieve!\r\n");
            printf("RxMessage.StdId is %#x\r\n", RxMessage.StdId);
            printf("data[0] is 0x%02x\r\n", data[0]);
            printf("data[1] is 0x%02x\r\n", data[1]);
            printf("data[2] is 0x%02x\r\n", data[2]);
            printf("data[3] is 0x%02x\r\n", data[3]);
            printf("<---\r\n");
        }
    }
}

/*CAN发送完成中断处理函数*/
void HAL_CAN_TxMailbox0CompleteCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
    printf("--->Into TxMailbox0CompleteCallback Function!\r\n");
    printf("--->CAN send test data success!\r\n\r\n");
}

在main.c主函数中设置CAN接收筛选器，启动CAN，使能中断，然后再主循环中实现按键控制，每当按键KEY2按下时就调用CAN1_Send_Test()函数发送数据

具体源代码如下所示

/*主循环外程序*/
printf("----- CAN Test Board #1 -----\r\n");
//设置筛选器
if (CAN_SetFilters() == HAL_OK)
    printf("ID Filter: Only Odd IDs\r\n");
//启动CAN1模块
if (HAL_CAN_Start(&hcan1) == HAL_OK)
    printf("CAN is started\r\n");
//启用CAN发送/接收中断
if(HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING | CAN_IT_TX_MAILBOX_EMPTY) != HAL_OK)
{
    printf("CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING Enable Fail\r\n");
        Error_Handler();
}
uint32_t msg_id=0;
uint8_t data[4] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};

/*主循环内程序*/
/*按键KEY2按下*/
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
    HAL_Delay(50);
    if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        for(uint16_t i =0;i<4;i++)
            data[i]++;

        CAN1_Send_Test(msg_id++,data);
        while(!HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin));
    }
}

最后将在can.c中定义的消息筛选器函数、发送数据测试函数在can.h中声明即可，具体源代码如下所示

/*can.h中函数声明*/
void CAN1_Send_Test(uint32_t msgid, uint8_t *data);
HAL_StatusTypeDef CAN_SetFilters(void);

4、常用函数

/*CAN开始通信*/
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Start(CAN_HandleTypeDef *hcan)

/*CAN停止通信*/
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Stop(CAN_HandleTypeDef *hcan)

/*获取当前空闲邮箱数量*/
uint32_t HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(const CAN_HandleTypeDef *hcan)

/*请求发送相应的邮箱内容*/
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_AddTxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, const CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader,const uint8_t aData[], uint32_t *pTxMailbox)

/*获取FIFO中挂起的消息数*/
uint32_t HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(const CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t RxFifo)

/*读取FIFI中挂起的消息信息并释放邮箱*/
HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t RxFifo,CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[])

/*CAN发送完成中断处理函数*/
void HAL_CAN_TxMailbox0CompleteCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)

/*CAN接收中断处理函数*/
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)

5、烧录验证

烧录程序，开发板1/2上电后均显示CAN初始化成功可以开始通信

当第一次按下开发板1的KEY2按键，此时串口输出进入CAN发送完成中断处理函数中并成功发送信息的提示，但是开发板2并没有接收消息（因为开发板1/2均设置了只接收stdID为奇数的帧）

当第二次按下开发板1的KEY2按键时，可以发现开发板2收到了消息，并将接收到的消息打印了出来，具体实验现象如下图所示（左边为开发板1，右边为开发板2）

6、注释详解

注释1：图片来源 STM32F4xx 中文参考手册 RM009

注释2：图片来源 通信——CAN总线基础介绍

注释3：在CAN发送测试函数末尾不要使用printf输出，如果非要使用请在使用前进行1ms延时，否则可能进不去发送完成函数HAL_CAN_TxMailbox0CompleteCallback中

注释4：图片来源 STM32CubeMX | 36 - 使用CAN总线进行双板通信（TJA1050）

参考资料

STM32Cube高效开发教程（基础篇）

更多内容请浏览 STM32CubeMX+STM32F4系列教程文章汇总贴