STM32单片机CAN总线应用：工业自动化中的通信利器，构建可靠网络

# 1. CAN总线基础**

CAN（控制器局域网）总线是一种串行通信协议，广泛应用于工业自动化、汽车电子等领域。它以其高可靠性、实时性和低成本的特点而著称。

CAN总线采用多主从结构，每个节点都可以发送和接收消息。消息以帧的形式传输，帧中包含标识符、数据和校验和等信息。CAN总线采用非破坏性仲裁机制，优先级高的消息可以抢占低优先级消息的发送权，确保实时性。

CAN总线控制器（CAN控制器）是CAN总线通信的核心器件。它负责帧的发送和接收，以及仲裁和错误处理等功能。CAN控制器通常集成在微控制器或专用芯片中，如STM32单片机。

# 2. STM32单片机CAN总线编程

### 2.1 CAN总线控制器外设

STM32单片机集成了CAN总线控制器外设，用于实现CAN总线通信功能。CAN控制器外设包括以下寄存器和中断：

#### 2.1.1 CAN控制器寄存器

CAN控制器寄存器主要分为以下几类：

| 寄存器组 | 功能 |
|---|---|
| MCR | 模式控制寄存器，用于配置CAN控制器的工作模式 |
| TSR | 传输状态寄存器，反映CAN控制器的当前传输状态 |
| RFR | 接收FIFO寄存器，用于存储接收到的CAN帧 |
| IFR | 中断标志寄存器，用于指示CAN控制器的中断状态 |
| IER | 中断使能寄存器，用于使能或禁止CAN控制器的中断 |

#### 2.1.2 CAN控制器中断

CAN控制器外设支持以下中断：

| 中断源 | 中断标志位 |
|---|---|
| 传输完成中断 | TCIF |
| 接收FIFO 0 中断 | RF0IF |
| 接收FIFO 1 中断 | RF1IF |
| 错误中断 | EWGIF |

### 2.2 CAN总线通信协议

CAN总线通信协议定义了CAN帧的格式和仲裁机制。

#### 2.2.1 CAN帧格式

CAN帧由以下字段组成：

| 字段 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
| 起始位 | 1 | CAN帧的开始标志，为显性位 |
| 仲裁场 | 11 | 用于仲裁CAN总线上的节点发送权 |
| 控制场 | 6 | 包含帧类型、数据长度和CRC校验位 |
| 数据场 | 0-64 | 实际传输的数据 |
| CRC校验场 | 15 | 用于校验数据场的完整性 |
| 结束位 | 7 | CAN帧的结束标志，为显性位 |

#### 2.2.2 CAN总线仲裁

CAN总线仲裁机制基于仲裁场。当多个节点同时发送数据时，仲裁场较小的节点具有更高的优先级，可以获得发送权。仲裁过程如下：

1. 每个节点发送自己的仲裁场。
2. 仲裁场中位值较低的节点继续发送，而位值较高的节点停止发送。
3. 这一过程一直持续到只有一个节点继续发送。

### 2.3 STM32单片机CAN总线驱动库

STM32单片机提供了CAN总线驱动库，简化了CAN总线编程。驱动库提供了以下功能：

| 函数 | 功能 |
|---|---|
| CAN_Init() | 初始化CAN控制器 |
| CAN_Transmit() | 发送CAN帧 |
| CAN_Receive() | 接收CAN帧 |
| CAN_IRQHandler() | CAN控制器中断处理函数 |

**代码块 2.1：STM32单片机CAN总线驱动库初始化**

void CAN_Init(CAN_TypeDef *CANx)
{
    // 配置CAN控制器模式
    CANx->MCR |= CAN_MCR_INRQ;
    while ((CANx->MSR & CAN_MSR_INAK) == 0);

    // 设置波特率
    CANx->BTR = (uint32_t)0x00000007;

    // 使能CAN控制器
    CANx->MCR &= ~CAN_MCR_INRQ;
}

**逻辑分析：**

* 初始化CAN控制器模式为初始化模式。
* 等待CAN控制器进入初始化模式。
* 设置CAN总线波特率。
* 使能CAN控制器。

**参数说明：**

* CANx：CAN控制器外设指针。

# 3.1 CAN总线网络拓扑

CAN总线网络拓扑是指CAN总线网络中节点连接的方式，它决定了网络的结构和通信方式。CAN总线网络拓扑主要有两种类型：线性拓扑和总线型拓扑。

#### 3.1.1 线性拓扑

线性拓扑是最简单的CAN总线网络拓扑，所有节点都连接在一条总线上，形成一个链式结构。这种拓扑结构简单易于实现，但是网络的可靠性较低，因为任何一个节点的故障都会导致整个网络中断。

**优点：**

* 结构简单，易于实现
* 成本低

**缺点：**

* 可靠性低，单点故障会导致整个网络中断
* 扩展性差，增加节点需要重新布线