前言

CAN 通信原理、协议格式等内容网络资料丰富，本文几乎不会提及，重心将放在 CUBEMX 配置和 Keil 代码实现上。目的是提供一个通用模版，让读者能够根据数据手册，手写任意产品的 CAN 数据收发代码。

本文将默认读者已经粗略了解 CAN 总线相关硬件知识，若文中有不明白的名词，劳烦自行搜索。

本文 CUBEMX 配置基于 STM32H7 系列 FDCAN。

报文核心格式

CAN 报文有“帧（Frame）”的概念，一份报文分为数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间空间。而在软件应用中，我们通常只需要关注 数据帧（Data frame）：用于发送单元向接收单元传送数据的帧。

数据帧由 7 个段构成，如下图，分别为：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束。

CAN数据帧

帧起始

表示一个数据帧的开始，1 个显性位。

仲裁段

写明报文 ID，确定发送的帧类型（数据帧 or 遥控帧）。

在标准格式帧和扩展格式帧中，仲裁段的长度不同：

  • 标准格式：11 位 ID
  • 扩展格式：29 位 ID

对于前 11 位 ID 相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级更高。

对于两种格式的帧，在应用中我们只需要记住他们的 ID 长度不同即可，其余内容几乎完全一致。

控制段

指示了数据段的长度。

数据段

实际要传输的数据，0~8 字节，从 MSB 至 LSB。

CRC段

校验段，检测数据在传输过程中是否出错。

ACK段

接收单元通过 ACK 段通知发送单元数据是否正确接收。

帧结束

表示一个数据帧的结束，7 个隐性位。

CUBEMX配置

起手丝滑小连招，新建工程、选芯片、配时钟树等常规流程，此处跳过。

Connectivity 中选择 FDCAN1，选中 Activated，进入配置界面。（FDCAN 包含了普通 CAN，看懂 FDCAN 就两个都懂了）

FDCAN参数详解

FDCAN参数

注：以下参数若标明 根据计算得出，则先不必纠结具体数值，后文会讲解如何计算。

  • Frame Format：Classic mode，经典 CAN 模式（CAN2.0）。

  • Mode：Normal。

  • Auto Retransmission（自动重发）：Disable。根据需求，多个节点发生阻塞情况可能需要开启。

  • Transmit Pause（发送延时）：Disable。FDCAN 特有的选项，通常用不到。

  • Protocol Exception（协议异常处理）：Disable。常规应用一般用不到，Enable 也可。

  • Nominal Sync Jump Width（仲裁段同步跳转宽度）：根据计算得出。用于调整时钟同步的容差范围。

  • Data Prescaler（数据段预分频器）：根据计算得出。时钟分频。

  • Data Sync Jump Width（数据段同步跳转宽度）：根据计算得出。

  • Data Time Seg1、Data Time Seg2（数据段时间段）：根据计算得出。数据段采样点位置。

  • Message Ram Offset（消息 RAM 地址偏移）：根据计算得出。此 RAM 是所有 FDCAN 共用的，如果配置了多路 FDCAN，强烈建议设置此偏移参数。

  • Std Filters Nbr（标准格式过滤器数量）：标准格式滤波器数量，用于在仲裁段过滤（11 位）ID。如果外设为标准格式 CAN，此参数至少为 1。

  • Ext Filters Nbr（扩展格式过滤器数量）：扩展格式滤波器数量，用于在仲裁段过滤（29 位）ID。如果外设为扩展格式 CAN，此参数至少为 1。

  • Rx Fifo0 Elmts Nbr、Rx Fifo1 Elmts Nbr（接收 FIFO 的数量）：这两个 FIFO 相互独立，如果只用一个，另一个可以直接填 0。具体需要的数量受外设数量、外设发送频率影响，可以尽量开大些。

  • Rx Fifo0 Elmt Size、Rx Fifo1 Elmt Size（每个 FIFO 的大小）：通常 8 bytes data field 即可，一个数据段最大也就 8 字节。

    注：Fifo Elmts Nbr 和 Fifo Elmt Size 两个参数的严格计算方式笔者理解不深，但通常不影响应用，这里贴上一篇笔者读过的文章《STM32H7系列FDCAN配置成经典CAN的经验教程和注意事项》，供参考。

  • Rx Buffers Nbr、Rx Buffer Size（接收缓冲区数量、大小）：0。如果用 FIFO 就不需要缓冲区，填 0 即可。

  • Tx Events Nbr、Tx Buffers Nbr（发送事件数量、发送缓冲区数量）：0。如果不使用 Events 和 Buffers 发送，填 0 即可。

  • Tx Fifo Queue Elmts Nbr（发送 FIFO 队列数量）：和接收的类似。

  • Tx Fifo Queue Mode（发送 FIFO 队列模式）：FIFO mode。使用 FIFO 模式。

  • Tx Elmt Size（每个发送区的大小）：通常 8 bytes data field 即可。

  • Bit Timings Parameters（仲裁段时间参数）：根据计算得出。和前面数据段类似，经典 CAN 要求仲裁段和数据段波特率一致，填写一样的参数即可。

FDCAN参数计算

数据段/仲裁段波特率

包含 Data Prescaler、Data Sync Jump Width、Data Time Seg1、Data Time Seg2、Norminal Prescaler、Nominal Time Seg1、Nominal Time Seg2 参数。

先放一个公式：

BaudRate=FDCANFrequency÷Prescaler1+TimeSeg1+TimeSeg2BaudRate = \frac{FDCANFrequency \div Prescaler}{1 + TimeSeg1 + TimeSeg2}

这里了解即可，具体计算推荐使用 CAN 波特率计算器。

  • FDCANFrequency：FDCAN 外设时钟频率，单位 Hz。从时钟树中可以找到。

    CAN时钟频率

  • Prescaler：预分频器，分频后得到一个更小的频率。

  • TimeSeg1、TimeSeg2：采样点位置。

推荐一个好用的 CAN 波特率计算器：ZCANPRO 致远电子

zcanpro

下载后，打开 ZBaudcalTool.exe。（整个文件夹包含的工具很多，所以比较大，要是能把 ZBaudcalTool 单独拎出来就好了）

zbaudcaltool

  1. 设备类型选择 CANFDNET_TCP 或 CANFDNET_UDP

cancal1

  1. 填写时钟频率（上文的 FDCANFrequency）、想要的波特率、允许误差。

cancal2

  1. 选择一组合适的参数，其中：
  • BPR 应尽量小，以保证 Tq 尽可能小，减少误差；
  • 采样点推荐范围：75%~87.5%；
  • 波特率 <= 500 kbps时，推荐采样点87.5%；
  • 波特率 > 500 kbps时，推荐采样点80%；
  • 波特率 > 800 kbps时，推荐采样点75%。
  • 注意 CUBEMX 中参数的可填写范围

这里我们选择了一组合适的参数，然后修改同步跳转宽度（Sync Jump Width），应尽量大且尽量与 TSEG2 一致。

cancal3

cancal4

然后就可以将这组参数填入 CUBEMX 中，填好后如下图。

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消息RAM地址偏移（Message Ram Offset）

STM32H7 中，多路 CAN 是共用一个 RAM 的，如果配置不当，设备一多很容易出现丢包、无法通信的情况。

canram

上图出自 ST 的《AN5348 Introduction to FDCAN peripherals for STM32 MCUs》

一路 CAN可以分配最大 2560 words 的 RAM 空间，当我们使用多路 CAN 时，应该给除第一路 CAN 外的其他 CAN 配置 RAM 偏移地址。

比如使用 3 路 CAN，最简单的方式就是：FDCAN1 偏移填 0，FDCAN2 偏移填 2560⋅13=8532560 \cdot \frac{1}{3} = 853，FDCAN3 偏移填 2560⋅23=17062560 \cdot \frac{2}{3} = 1706。填写时注意进制。

开启中断

进入 NVIC Settings，打开 FDCAN 中断

canirq

生成代码

配置好工程其他设置，就可以生成代码了。

Keil代码

定义CAN过滤器初始化函数

过滤器是 CAN 通信中非常重要的一部分，即使不需要过滤任何数据，也 必须 配置过滤器，不然无法正常通信。

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void fdcan_filter_init(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan){
	FDCAN_FilterTypeDef fdcan_filter;
	
	fdcan_filter.IdType = FDCAN_STANDARD_ID;
	fdcan_filter.FilterIndex = 0;
	fdcan_filter.FilterType = FDCAN_FILTER_MASK;
	fdcan_filter.FilterConfig = FDCAN_FILTER_TO_RXFIFO0;// FIFO0
	fdcan_filter.FilterID1 = 0x00;
	fdcan_filter.FilterID2 = 0x00;
	HAL_FDCAN_ConfigFilter(hfdcan,&fdcan_filter);
	HAL_FDCAN_ConfigGlobalFilter(hfdcan,FDCAN_REJECT,FDCAN_REJECT,FDCAN_REJECT_REMOTE,FDCAN_REJECT_REMOTE);
	HAL_FDCAN_ConfigFifoWatermark(hfdcan, FDCAN_CFG_RX_FIFO0, 1);
}

FDCAN_FilterTypeDef 结构体的每个参数，在 stm32h7xx_hal_fdcan.h 文件中都有很详细地说明，在这里简单概括下。

  • IdType：帧格式。标准格式（FDCAN_STANDARD_ID）或扩展格式（FDCAN_EXTENDED_ID）。
  • FilterIndex：过滤器编号，从 0 开始。标准帧最多 128 个，扩展帧最多 64 个。
  • FilterType、FilterID1、FilterID2：第一个参数是过滤器类型，后两个参数与 FilterType 配合。类型共 4 种，FDCAN_FILTER_RANGE（接收 ID 在 ID1~ID2 的消息，包含 ID1、ID2）、FDCAN_FILTER_DUAL（只接收 ID 等于 ID1 或 ID2 的消息）、FDCAN_FILTER_MASK（ID2 作为掩码，对比消息 ID 和 ID1，只接收掩码位相等的消息）、FDCAN_FILTER_RANGE_NO_EIDM（接收 ID 在 ID1~ID2 的消息，包含 ID1、ID2，但不应用 EIDM mask）。
    关于掩码模式，如果 ID2 设为 0，那么就没有掩码位，也就不会过滤任何消息。所以无需过滤消息的场景中，通常都会配置成 掩码模式、ID1=0、ID2=0。

HAL_FDCAN_ConfigFilter(hfdcan,&fdcan_filter);：调用函数，应用过滤器配置。

HAL_FDCAN_ConfigGlobalFilter(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan, uint32_t NonMatchingStd, uint32_t NonMatchingExt, uint32_t RejectRemoteStd, uint32_t RejectRemoteExt)：决定如何处理未与过滤器匹配的数据帧，以及全部遥控帧。

  • NonMatchingStd：如何处理未与过滤器匹配的标准帧。
  • NonMatchingExt：如何处理未与过滤器匹配的扩展帧。
    上述两个参数的可选项有 FDCAN_ACCEPT_IN_RX_FIFO0、FDCAN_ACCEPT_IN_RX_FIFO1、FDCAN_REJECT，分别表示接收至 FIFO0、FIFO1 和拒绝。
  • RejectRemoteStd：是否拒绝标准格式的遥控帧。
  • RejectRemoteExt：是否拒绝扩展格式的遥控帧。
    上述两个参数的可选项有 FDCAN_FILTER_REMOTE、FDCAN_REJECT_REMOTE，分别表示放入过滤器或拒绝。

HAL_FDCAN_ConfigFifoWatermark(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan, uint32_t FIFO, uint32_t Watermark)：配置 FIFO 的水位线，当 FIFO 中消息量达到水位线（阈值）时，触发中断。

CAN 初始化（main.c）

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/* USER CODE BEGIN 2 */
fdcan_filter_init(&hfdcan1); // 初始化过滤器
HAL_FDCAN_Start(&hfdcan1); // 启动！
HAL_FDCAN_ActivateNotification(hfdcan, FDCAN_IT_RX_FIFO0_WATERMARK, 0); // 开启 FIFO0 水位线中断
HAL_FDCAN_ActivateNotification(hfdcan, FDCAN_IT_BUS_OFF, 0); // 开启总线离线中断，可选
/* USER CODE END 2 */

消息接收

重写中断回调函数

接收的消息触发水位线中断时，会进入此函数。

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void HAL_FDCAN_RxFifo0Callback(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan, uint32_t RxFifo0ITs){
	if (hfdcan == &hfdcan1)
	{
		FDCAN1RCV(&hfdcan1);
	}
	if (hfdcan == &hfdcan2)
	{
		// ...
	}
	if (hfdcan == &hfdcan3)
	{
		// ...
	}
}

定义消息处理函数

这里提供两种形式，都可以使用。

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void FDCAN1RCV(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan){
  FDCAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
  uint8_t rx_data[8] = {0};
  if (HAL_FDCAN_GetRxMessage(hfdcan, FDCAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data) == HAL_OK) {
		uint8_t id = rx_header.Identifier & 0xFF; // 根据需求修改
    // ... rx_data数据处理
  }
}

rx_data 这个数组就是数据段（Data Field）中的数据。

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void FDCAN1RCV(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan){
  uint16_t id;
  uint8_t rx_data[8] = {0};
  fdcanx_receive(&hfdcan2, &id, rx_data);
  // ... rx_data数据处理
}

消息发送

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FDCAN_TxHeaderTypeDef fdcan_tx_header;
uint8_t fdcan_tx_data[8] = {0};

void FDCANSend(FDCAN_HandleTypeDef *hfdcan, uint16_t id, uint8_t* tx_data){
  fdcan_tx_header.Identifier = id; // 报文ID
  fdcan_tx_header.IdType = FDCAN_STANDARD_ID; // 帧格式
  fdcan_tx_header.TxFrameType = FDCAN_DATA_FRAME; // 帧类型
  fdcan_tx_header.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_8; // 数据长度

  fdcan_tx_data[0] = tx_data[0];
  fdcan_tx_data[1] = tx_data[1];
  // ...fdcan_tx_data消息发送数组赋值

  HAL_FDCAN_AddMessageToTxFifoQ(hfdcan, &fdcan_tx_header, fdcan_tx_data);
}

发送函数的传入参数根据实际情况修改，定义之后在需要发送消息时调用即可。

结语

至此，配置、应用 CAN 通信的流程就全部结束了，望本篇文章能让你有所收获，若有表述错误，恳请指正。