零基础国产GD32单片机编程入门(十五)CAN通讯详解及实战含源码

文章目录

- 一.概要
- 二.CAN网络基本组成
- 三.GD32单片机CAN结构与特点
- - 1.GD32F103单片机CAN基本结构图
  - 2.GD32F103单片机CAN基本特点
- 四.CAN协议帧格式
- 五.GD32F103C8T6的CAN通讯波特率
- 六.GDF103C8T6的CAN接收过滤器配置
- 七.配置一个CAN通讯数据收发例程
- 八.工程源代码下载
- 九.小结

一.概要

CAN全称是（Controller Area Network），控制器局域网络，是ISO国际标准化的串行通信协议，CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN通信只有两根信号线，分别是CAN_High和CAN_Low，CAN 控制器根据这两根线上的电位差来判断总线电平。总线申平分为显性电平和隐性申平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

CAN总线在车上应用非常广泛：
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本文介绍了GD32单片机CAN口的基本概念，内部结构，波特率配置，接收滤波配置以及用CAN口进行数据通讯的例程。

二.CAN网络基本组成

一个典型的CAN网络由多个节点组成，每个节点至少包含一个CAN控制器和一个CAN收发器。此外，网络还需要适当的物理介质，如电缆和连接器来连接各个节点。
GD32F103单片机是自带CAN控制器，只要外面挂一个CAN收发器(TJA1050/TJA1042等)就能组成一个CAN节点，实现跟其他节点CAN通讯。
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三.GD32单片机CAN结构与特点

1.GD32F103单片机CAN基本结构图

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CAN内核
是CAN控制器的核心，包含了一系列的控制和状态寄存器，通过配置这些寄存器可以设定CAN控制器的工作模式、波特率、错误检测和恢复策略等关键参数。内核还负责处理总线上的仲裁、错误检测、帧发送和接收等工作。

发送邮箱
是用于临时存储待发送报文的缓冲区，每个邮箱可以容纳一个完整的CAN报文，并附带相关控制信息。在GD32的某些系列产品中，如F1、F4等，提供了至少3个发送邮箱，这样可以同时准备多个报文并发发送，提高通信效率。

接收FIFO
是用于暂存从CAN总线上接收到的有效报文。当CAN控制器接收到报文时，会将其放入接收FIFO中，应用程序可以从FIFO中取出并处理这些报文。FIFO设计可以避免在接收过程中丢失数据，特别是在短时间内连续接收到多个报文的情况下。

接收过滤功能
是用于筛选从CAN总线上接收到的报文，只有经过过滤器匹配的报文才会被存入接收FIFO中，这样可以减少不必要的处理器负载，并允许系统只关注感兴趣的特定报文。过滤器可以根据标识符、标识符掩码等多种规则进行配置，没有通过过滤的帧，直接丢弃。

2.GD32F103单片机CAN基本特点

CAN总线协议2.0A和2.0B；
通信波特率最大为1Mbit/s；
支持时间触发CAN通信（Time-trigger communication）；
中断使能和清除。
发送功能
3个发送邮箱；
支持优先级发送；
支持发送时间戳。
接收功能
2个深度为3的接收FIFO；
在非GD32F10x CL系列产品中，具有14个过滤器；
在GD32F10x CL系列产品中，具有28个过滤器；
FIFO锁定功能。
时间触发通信
在时间触发通信模式下取消自动重传；
16位定时器；
接收时间戳；
发送时间戳。

四.CAN协议帧格式

数据帧是使用最多的帧，结构上由7段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B），标识符（ID）长度不同：标准格式为11位，扩展格式为29位。

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数据帧格式：
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1.起始域
SOF=帧开始

2.仲裁域
ID=标识符
RTR=远程请求位，区分数据帧和遥控帧

3.控制域
IDE=扩展标志位，区分标准格式和扩展格式
r0=保留位，为后续协议升级留下空间
DLC=数据长度

4.数据域
0~8字节的长度

5.CRC域
CRC=循环几余校验码

6.ACK域
ACK=响应位

7.结束域
EOF=帧结束

CAN通信标准帧还是扩展帧，选择使用哪种帧类型取决于具体的应用需求。如果需要传输较小数据量且标识符长度不超过11位，可以选择CAN标准帧。而对于需要传输更大数据量和更长标识符的应用，则应选用CAN扩展帧，一般CAN通信双方之间会先约定好采用标准帧还是扩展帧协议。

五.GD32F103C8T6的CAN通讯波特率

由于CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯。
同时，CAN还使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。

如下所述把名义上的每位时间分为3段：
● 同步段(SYNC_SEG)：通常期望位的变化发生在该时间段内。其值固定为1个时间单元(1 x tCAN)。
● 时间段1(BS1)：定义采样点的位置。它包含CAN标准里的PROP_SEG和PHASE_SEG1。
其值可以编程为1到16个时间单元，但也可以被自动延长，以补偿因为网络中不同节点的频率差异所造成的相位的正向漂移。
● 时间段2(BS2)：定义发送点的位置。它代表CAN标准里的PHASE_SEG2。其值可以编程为1到8个时间单元，但也可以被自动缩短以补偿相位的负向漂移。

位时序
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CAN波特率计算公式：
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我们以GD32F103C8T6为例，CAN时钟是挂在APB1上，APB1时钟是54M，

BAUDPSC[9:0] : 波特率分频器 (Baud rate prescaler) ，这个寄存器我们配置成23。
BS2[2:0]: 时间段2 (Time segment 2) ,这个寄存器我们配置成2。
BS1[3:0] : 时间段1 (Time segment 1) ,这个寄存器我们配置成4。

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根据波特率公式：

tBS1 = tq * (BS1[3:0] + 1)。
tBS2 = tq * (BS2[2:0] + 1)。
tq = (BAUDPSC[9:0] + 1) x tPCLK。
tPCLK=1/54000000。
波特率=1/(tq + tBS1+tBS2)
=1/tq*(1+(BS1[3:0] +1)+(BS2[2:0] )+1)
=54000000/((BAUDPSC[9:0] + 1)*(1+(BS1[3:0] + 1)+(BS2[2:0] + 1)))

波特率计算结果就是
54000000/((23+1）*(1+（2+1）+（4+1)))=250000bps。

一般CAN波特率都是250k,500k,1M,125k,我们只要参照250K波特率的配置，改下波特率分频器就很方便能改大改小，都是倍数关系。

六.GDF103C8T6的CAN接收过滤器配置

CAN的过滤器的配置是对CAN接收到的报文进行过滤的配置，在GD32芯片中，可以对CAN的报文进行过滤，从而省略MCU的处理过程。在CAN协议里，报文的标识符不代表节点的地址，而是跟报文的优先级相关的。发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。节点在接收报文时，根据标识符的值决定是否需要该报文，如果需要，就拷贝到SRAM里，如果不需要，报文就被丢弃且无需软件的干预。

为满足这一需求，CAN为应用程序提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组（13~0），每个过滤器组由2个32位寄存器，CAN_FxDATA0和CAN_ FxDATA1组成。以便只接收那些软件需要的报文。硬件过滤的做法节省了MCU开销，否则就必须由软件过滤从而占用一定的MCU开销。

每个过滤器组的位宽都可以单独设置，以满足应用程序的不同需求。根据位宽的不同，可以配置为1个32位过滤器和2个16位过滤器。
● 1个32位过滤器，包括：SFID[10:0]、EFID[17:0]、FF(帧格式 0：标准格式帧 1：扩展格式帧 ) 和FT(帧种类 0：数据帧 1：遥控帧 )位
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● 2个16位过滤器，包括：SFID[10:0]、FF(帧格式 0：标准格式帧 1：扩展格式帧 ) 和FT(帧种类 0：数据帧 1：遥控帧 )和EFID[17:15]位

CAN过滤器还可以分为掩码模式和列表模式。

掩码模式：
对于一个接收数据帧的标识符（Identifier），掩码模式用来指定哪些位必须与预设的标识符相同，哪些位无需判断。

列表模式：
对于一个接收数据帧的标识符（Identifier），列表模式用来表示与预设的标识符列表中能够匹配则通过，否则丢弃。

例如：

列表匹配ID为0x200，掩码为0x000，则所有ID号都能通过
列表匹配ID为0x200，掩码为0x700，则ID为0x200~0x2FF均可通过
列表匹配ID为0x200，掩码为0x7FF，则只有0x200能通过

一般初学，掩码配置为0就可以了，就可以接收CAN总线上的所有帧。

七.配置一个CAN通讯数据收发例程

板子先与CAN转TTL板子连接
PA12 <------>TX-Can转TTL TX
PA11 <------>RX-Can转TTL RX
GND <------> -Can转TTL GND
5V <------> -Can转TTL VCC

Can转TTL与USB转CAN用杜邦线对接，CAN_H对接，CAN_L对接，USB转CAN插电脑

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主要代码

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FlagStatus receive_flag;//判断数据是否有接收到
uint8_t transmit_number = 0x0;
can_receive_message_struct receive_message;//接收数据结构体
can_trasnmit_message_struct transmit_message;//发送数据结构体
#define CAN0_USED
#define CANX CAN0//CAN0

//CAN设置，250kbps
void can_networking_init(void)
{
    can_parameter_struct            can_parameter;
    can_filter_parameter_struct     can_filter;
    
    can_struct_para_init(CAN_INIT_STRUCT, &can_parameter);
    can_struct_para_init(CAN_FILTER_STRUCT, &can_filter);
    /* initialize CAN register */
    can_deinit(CANX);
    /* initialize CAN */
    can_parameter.time_triggered = DISABLE;
    can_parameter.auto_bus_off_recovery = DISABLE;
    can_parameter.auto_wake_up = DISABLE;
    can_parameter.no_auto_retrans = DISABLE;
    can_parameter.rec_fifo_overwrite = DISABLE;
    can_parameter.trans_fifo_order = DISABLE;
    can_parameter.working_mode = CAN_NORMAL_MODE;
    can_parameter.resync_jump_width = CAN_BT_SJW_1TQ;
    can_parameter.time_segment_1 = CAN_BT_BS1_5TQ;
    can_parameter.time_segment_2 = CAN_BT_BS2_3TQ;
    /* baudrate 250kbps */
    can_parameter.prescaler = 24;
    can_init(CANX, &can_parameter);

    /* initialize filter */
#ifdef  CAN0_USED
    /* CAN0 filter number */
    can_filter.filter_number = 0;
#else
    /* CAN1 filter number */
    can_filter.filter_number = 15;
#endif
    /* initialize filter */    
    can_filter.filter_mode = CAN_FILTERMODE_MASK;
    can_filter.filter_bits = CAN_FILTERBITS_32BIT;
    can_filter.filter_list_high = 0x0000;
    can_filter.filter_list_low = 0x0000;
    can_filter.filter_mask_high = 0x0000;
    can_filter.filter_mask_low = 0x0000;  
    can_filter.filter_fifo_number = CAN_FIFO1;
    can_filter.filter_enable = ENABLE;
    can_filter_init(&can_filter);
}
//CAN接收中断使能
void nvic_config(void)
{
    nvic_irq_enable(CAN0_RX1_IRQn,0,0);

}
//PA11,PA12配置成CAN口
void gpio_config(void)
{
    /* enable CAN clock */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
    /* configure CAN0 GPIO */
    gpio_init(GPIOB,GPIO_MODE_IPU,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_8);
    gpio_init(GPIOB,GPIO_MODE_AF_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_9);  
	gpio_pin_remap_config(GPIO_CAN_PARTIAL_REMAP, ENABLE);//can口
	

}
int main(void)
{
		rcu_ahb_clock_config(RCU_AHB_CKSYS_DIV1);//AHB主频是1分频
		systick_config();//系统主频108MHZ,采用外部晶振,由两个宏决定(__SYSTEM_CLOCK_108M_PLL_HXTAL与HXTAL_VALUE)
		rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);//管脚复用时钟alternate function clock使能
		gpio_config();//CAN GPIO配置
		nvic_config();//中断配置
		can_networking_init();//配置250kbps
		/* enable CAN receive FIFO1 not empty interrupt */
		can_interrupt_enable(CANX, CAN_INT_RFNE1);
		/* initialize transmit message */
		can_struct_para_init(CAN_TX_MESSAGE_STRUCT, &transmit_message);
		transmit_message.tx_sfid = 0x321;
		transmit_message.tx_efid = 0x01;
		transmit_message.tx_ft = CAN_FT_DATA;
		transmit_message.tx_ff = CAN_FF_STANDARD;//标准帧
		transmit_message.tx_dlen = 8;
		/* initialize receive message */
		can_struct_para_init(CAN_RX_MESSAGE_STRUCT, &receive_message);
		can_message_transmit(CANX, &transmit_message);//发送数据
	
    while(1)
    {
			if(receive_flag==SET)//判断是否有数据收到，CAN0_RX1_IRQHandler函数中置位
			{
				receive_flag=RESET;
				transmit_message.tx_sfid=receive_message.rx_sfid;
				memcpy(transmit_message.tx_data,receive_message.rx_data,8);//把接收数据拷贝到发送结构体
				can_message_transmit(CANX, &transmit_message);//发送数据
				delay_1ms(1000); 
			}			

    }

}

//中断服务程序
void CAN0_RX1_IRQHandler(void)
{
    /* check the receive message */
    can_message_receive(CAN0, CAN_FIFO1, &receive_message);
    if((0x321 == receive_message.rx_sfid)&&(CAN_FF_STANDARD == receive_message.rx_ff)){//接收ID为0x321的标准帧
        receive_flag = SET;
    }
}