CAN总线实战项目：使用STM32和PCAN-View实现数据采集与监控系统（附完整代码）

摘要: 本文深入浅出地介绍CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线协议，涵盖其基础概念、报文帧格式、仲裁机制、错误处理等关键知识。同时，文章结合STM32平台，从硬件设计、软件开发到实战案例，全面讲解CAN总线应用开发，并提供详细的代码示例和注释，帮助读者快速掌握CAN总线技术。

关键词: CAN总线, STM32, 嵌入式系统, 汽车电子, 工业控制, 物联网

一、 项目概述

1.1 项目背景

CAN总线作为一种高可靠性、实时性强的串行通信协议，广泛应用于汽车电子、工业自动化、医疗设备等领域。 掌握CAN总线技术，对于嵌入式工程师和物联网开发者至关重要。

1.2 项目目标

• 深入理解CAN总线协议的原理和特点
• 掌握基于STM32平台的CAN总线应用开发
• 通过实战项目，提升CAN总线应用开发能力

二、 CAN总线基础

2.1 CAN总线简介

CAN总线是一种多主站的串行通信协议，其特点包括：

• 高可靠性: 具有强大的错误检测和纠错机制。
• 实时性: 采用非破坏性总线仲裁技术，保证高优先级报文优先传输。
• 灵活性: 支持多主站通信，易于扩展。
• 成本效益: 硬件结构简单，成本较低。

2.2 CAN 标准与报文帧格式

常见的CAN标准包括CAN 2.0A、CAN 2.0B和CAN FD。 其中，CAN FD (Flexible Data-Rate) 支持更高的数据速率和更长的数据长度。

CAN总线数据以报文帧的形式传输，常见的报文帧格式包括：

• 数据帧 (Data Frame): 用于传输数据。
• 远程帧 (Remote Frame): 请求其他节点发送数据。
• 错误帧 (Error Frame): 节点检测到错误时发送。
• 过载帧 (Overload Frame): 节点需要延迟发送数据时发送。

2.3 仲裁机制与标识符

CAN总线采用基于标识符的非破坏性仲裁机制，保证高优先级报文优先传输。 标识符越小，优先级越高。

2.4 错误检测与处理

CAN总线具有多种错误检测机制，例如CRC校验、位填充等，并支持错误恢复机制，确保通信的可靠性。

三、 系统设计

3.1 硬件设计

本项目基于STM32F103C8T6微控制器和STM32CubeMX进行开发。

• MCU: STM32F103C8T6
• CAN收发器: TJA1050
• CAN连接器: DB9

连接示意图:

3.2 软件设计

• 开发环境: Keil MDK
• HAL库: STM32 HAL库
• 功能模块:
  • CAN初始化
  • CAN报文发送
  • CAN报文接收
  • 中断处理

四、 代码实现

4.1 CAN初始化

/* CAN 初始化 */
void CAN_Init(void)
{
  /* CAN 时钟使能 */
  __HAL_RCC_CAN1_CLK_ENABLE();

  /* 初始化 CAN 句柄 */
  hcan1.Instance = CAN1;
  /* 设置 CAN 工作模式为普通模式 */
  hcan1.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
  /* 设置波特率为 500Kbps */
  hcan1.Init.Prescaler = 6; 
  hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
  hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_13TQ;
  hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_2TQ;
  /* 设置自动离线管理模式 */
  hcan1.Init.AutoBusOff = ENABLE;
  /* 设置自动重传模式 */
  hcan1.Init.AutoRetransmission = ENABLE;
  /* 设置接收 FIFO 锁定模式 */
  hcan1.Init.ReceiveFifoLockedMode = ENABLE;
  /* 设置发送 FIFO 优先级模式 */
  hcan1.Init.TransmitFifoPriority = ENABLE;
  /* 初始化 CAN */
  if (HAL_CAN_Init(&hcan1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 配置 CAN 过滤器 */
  CAN_FilterTypeDef can_filter_config;
  can_filter_config.FilterBank = 0;
  can_filter_config.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
  can_filter_config.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
  can_filter_config.FilterIdHigh = 0x0000;
  can_filter_config.FilterIdLow = 0x0000;
  can_filter_config.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
  can_filter_config.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  can_filter_config.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
  can_filter_config.FilterActivation = ENABLE;
  can_filter_config.SlaveStartFilterBank = 14;

  if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &can_filter_config) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 启动 CAN */
  if (HAL_CAN_Start(&hcan1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 开启 CAN 接收中断 */
  if (HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

代码说明:

• 首先，启用 CAN1 的时钟。
• 然后，初始化 CAN 句柄 hcan1，并设置 CAN 的工作模式、波特率、自动离线管理、自动重传、接收 FIFO 锁定模式、发送 FIFO 优先级模式等参数。
• 配置 CAN 过滤器，设置过滤器模式、标识符、掩码等参数。
• 启动 CAN 模块。
• 最后，开启 CAN 接收中断，以便在接收到数据时及时进行处理。

4.2 CAN 报文发送

/* CAN 报文发送 */
void CAN_Send_Msg(uint32_t std_id, uint8_t *data, uint8_t len)
{
  CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;
  uint32_t mailbox;

  /* 设置报文 ID */
  tx_header.StdId = std_id;
  /* 设置报文类型为数据帧 */
  tx_header.RTR = CAN_RTR_DATA;
  /* 设置数据长度 */
  tx_header.DLC = len;

  /* 发送 CAN 报文 */
  if (HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &tx_header, data, &mailbox) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

代码说明:

• 首先，定义一个 CAN_TxHeaderTypeDef 类型的变量 tx_header，用于设置 CAN 报文的 ID、类型、数据长度等信息。
• 然后，调用 HAL_CAN_AddTxMessage() 函数将 CAN 报文添加到发送邮箱。其中，hcan1 是 CAN 句柄，tx_header 是报文头信息，data 是要发送的数据，mailbox 是发送邮箱的编号。
• 如果发送成功，HAL_CAN_AddTxMessage() 函数返回 HAL_OK，否则返回错误码。

4.3 CAN 报文接收

/* CAN 报文接收 */
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
  CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
  uint8_t rx_data[8];

  /* 接收 CAN 报文 */
  if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 处理接收到的数据 */
  if (rx_header.StdId == 0x100)  // 判断报文 ID
  {
    // 处理 ID 为 0x100 的报文
  }
}

代码说明:

• HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback() 函数是 CAN 接收中断回调函数，当接收到 CAN 报文时，该函数会被调用。
• 首先，定义一个 CAN_RxHeaderTypeDef 类型的变量 rx_header，用于存储接收到的 CAN 报文头信息，以及一个 uint8_t 类型的数组 rx_data，用于存储接收到的数据。
• 然后，调用 HAL_CAN_GetRxMessage() 函数从接收 FIFO 中读取 CAN 报文。
• 根据接收到的报文 ID 进行相应处理。

4.4 中断处理

在 STM32CubeMX 中，可以图形化地配置 CAN 中断。 在代码中，需要实现 HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback() 函数来处理接收到的 CAN 报文。

五、 项目总结

本项目介绍了 CAN 总线的基本概念、帧格式、仲裁机制和错误处理等关键知识，并结合 STM32 平台，详细讲解了 CAN 总线的硬件设计、软件开发和实战案例。 通过学习本项目，读者可以快速掌握 CAN 总线技术，并将其应用到实际项目中。