STM32 HAL库CAN通讯：车载网络通信的解决方案


参考资源链接：[STM32CubeMX与STM32HAL库开发者指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401ab9dcce7214c316e8df8?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32 HAL库与CAN通讯概述

## STM32微控制器和CAN通讯概述

CAN（Controller Area Network）总线作为一种具备高可靠性和强实时性的通信协议，广泛应用于汽车和工业领域中。STM32系列微控制器，以其高性能、低成本和丰富的外设资源，成为了众多工程师实现CAN通讯的首选平台。

使用STM32 HAL库（硬件抽象层库）进行CAN通讯开发，可以让开发人员摆脱底层硬件细节的束缚，专注于应用层面的逻辑设计。HAL库不仅简化了编程过程，还提供了一系列易于使用的API，使得CAN通讯的实现更加直观和便捷。

在本章中，我们将概览STM32和CAN通讯的基础知识，并分析HAL库在CAN通讯中的应用优势，为接下来深入探讨CAN通讯机制及其编程实践打下基础。

# 2. CAN通讯基础与硬件连接

## 2.1 CAN通讯的理论基础

### 2.1.1 CAN协议的工作原理

控制器局域网络（CAN）是一种广泛应用于车辆内部网络的通信协议，它允许不同设备之间高效、可靠地交换数据。CAN协议的核心在于其非破坏性的仲裁方法，允许多个主节点同时访问总线，根据优先级决定消息的传输权，从而避免了传统共享介质网络中的冲突。

该协议采用基于帧的数据封装方式，分为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧等类型。在数据帧中，包含了标识符（Identifier），这是决定帧优先级的关键。通信中，若两个主节点同时尝试发送数据帧，标识符数值较小的节点将获得总线的控制权。

在物理层面上，CAN总线采用差分信号传输，这提供了更好的抗干扰能力，确保了在恶劣环境下的通信稳定性。

### 2.1.2 消息标识符和帧结构

消息标识符是CAN消息的特征码，用于标识消息的含义和服务类型。标准CAN协议中标识符为11位，扩展CAN协议中可以达到29位，这样提供了几乎无限数量的消息标识，以适应复杂系统的通信需求。

帧结构包含多个字段，具体如下：

- **帧起始**：标识一帧数据的开始。
- **仲裁场**：包括标识符和远程请求位（RTR），用于决定消息优先级。
- **控制场**：包含标识数据长度码（DLC），用于指示数据段的字节数。
- **数据场**：长度可变，最多8字节，用于传输实际的数据。
- **CRC场**：循环冗余校验，用于检测数据在传输过程中是否出错。
- **ACK场**：表示是否成功接收消息。
- **帧结束**：标识一帧数据的结束。

## 2.2 STM32中的CAN硬件接口

### 2.2.1 STM32微控制器中的CAN模块

STM32微控制器系列广泛集成了多个独立的CAN控制器，允许单个微控制器支持多个CAN总线网络。这些模块遵守CAN 2.0A (标准) 和CAN 2.0B (扩展) 协议标准。

模块的主要特点包括：

- 支持标准和扩展数据帧。
- 具有灵活的消息过滤能力。
- 支持时间触发通信模式和硬件错误检测功能。
- 集成了传输缓冲区和接收FIFO，提高数据处理效率。

### 2.2.2 硬件连接与初始化配置

在STM32设备中配置CAN硬件接口，首先需要根据硬件手册确定所需的引脚连接，并进行相应的初始化配置。这包括配置GPIO为复用功能模式，设置时钟源，配置CAN模块的波特率以及其他相关参数。

示例代码如下，展示如何初始化CAN接口：

/* CAN初始化结构体配置 */
CAN_HandleTypeDef hcan;

/* 初始化CAN结构体 */
hcan.Instance = CAN1;  // 使用的是CAN1接口
hcan.Init.Prescaler = 9;  // 波特率预分频值
hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;  // 工作模式
hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;  // 同步跳宽
hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_4TQ;  // 时间段1
hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_3TQ;  // 时间段2
hcan.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;  // 禁用时间触发模式
hcan.Init.AutoBusOff = DISABLE;  // 禁用自动总线关闭
hcan.Init.AutoWakeUp = DISABLE;  // 禁用自动唤醒
hcan.Init.AutoRetransmission = ENABLE;  // 启用自动重传
hcan.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;  // 禁用接收FIFO锁定
hcan.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;  // 禁用传输FIFO优先级

/* 初始化CAN */
if (HAL_CAN_Init(&hcan) != HAL_OK) {
    // 初始化失败处理
}

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

/* 滤波器配置 */
if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &sFilterConfig) != HAL_OK) {
    // 滤波器配置失败处理
}

这段代码初始化了STM32的CAN接口，并设置了波特率参数，以及配置了一个基本的CAN过滤器，以接收所有ID的消息。

## 2.3 CAN通讯网络的构建

### 2.3.1 网络拓扑和终端电阻

构建CAN通讯网络时，网络的拓扑结构是非常重要的。典型的是一个总线型拓扑，其中每个节点都连接到一根双绞线，也被称为CAN高线和CAN低线。在总线两端需要加入终端电阻，以减少反射和其他噪声问题。

终端电阻的值通常在120欧姆左右，这取决于网络的长度和总线的物理特性。终端电阻的正确设置有助于稳定总线电压，减少干扰，从而提高通信的可靠性。

### 2.3.2 传输速率和时序参数配置

传输速率（波特率）和时序参数的配置是构建CAN通讯网络的关键部分。波特率决定了数据传输的速度，而时序参数（例如时间段1、时间段2和同步跳宽）则决定了消息的采样点和总线的时序特性。

波特率的选择应考虑网络中最远节点之间的距离、总线长度、终端电阻以及所使用的物理介质的电气特性。时序参数的配置需要通过实验或者根据具体硬件的数据手册来精确计算，以确保所有节点能够在相同的时钟周期内正确地采样数据。

/* 计算波特率的函数示例 */
void CAN_SetBaudrate(CAN_HandleTypeDef* hcan, uint32_t baudrate) {
    // 计算所需的分频器和时间段值
    uint32_t pclk1 = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
    uint32_t brp = pclk1 / baudrate / 1000000 - 1;
    uint32_t sjw = CAN_SJW_1TQ;
    uint32_t bs1 = CAN_BS1_4TQ;
    uint32_t bs2 = CAN_BS2_3TQ;

    hcan->Init.Prescaler = brp;
    hcan->Init.SyncJumpWidth = sjw;
    hcan->Init.TimeSeg1 = bs1;
    hcan->Init.TimeSeg2 = bs2;
}

上述代码演示了如何根据给定的波特率计算分频值和时序参数，以配置CAN模块。注意，不同STM32设备的时钟配置可能有所差异，这需要参照对应的参考手册进行适配。

# 3. STM32 HAL库CAN通讯编程

## 3.1 HAL库CAN初始化与配置

### 3.1.1 CAN句柄的初始化

初始化CAN接口是STM32 HAL库中CAN通讯编程的第一步，这包括设置CAN硬件接口的各个参数以及初始化CAN句柄结构体。CAN句柄结构体（CAN_HandleTypeDe