基于STM32的CAN总线上下位机通信实验设计

刘泰廷　李新建

摘要：随着技术的成熟和设备的完善，CAN总线在数据的实时传输和自动控制中展现出良好的灵活性与可靠性。笔者以STM32为主控芯片搭建硬件电路，利用软件对其进行初始化设置，上位机与电路的连接使用USB—CAN转换器，并采用Visual C++的MFC编写的CAN调试界面实现数据的实时收发，使上下位机完成通信。本实验对于CAN总线的使用有一定的指导作用。

关键词：STM32；CAN总线；MFC；通信

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0199-02

CAN简称为控制器局域网络（Controller Area Network），它是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，是国际上应用最广泛的现场总线之一，并最终成为国际标准（ISO11519）。近年来，由于它的高可靠性和良好的错误检测能力受到人们的关注，CAN總线协议逐渐成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，被广泛应用于汽车控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强的工业环境。

1 实验系统结构组成

利用CAN总线可以将传统分布式控制系统的功能分散到不同的现场节点中，本实验只选用一个节点作为下位机的收发模块。实验的系统框图如图1所示，系统主要分为三个部分：上位机（PC机）、CAN转换器、下位机（CAN收发模块电路）。一般调试员的PC机（多为笔记本电脑）接入CAN总线往往没有串行接口，为此我们采用USB—CAN协议的转换器接入CAN总线，实现数据之间的转发。下位机是以STM32F103RCT6单片机作为主控芯片的CAN收发电路，主要完成数据采集和处理的任务，并实现与CAN总线的数据互传。上位机利用MFC编写的控制界面，对CAN总线上收到的数据进行显示，同时也可以完成向CAN总线发送数据的指令。

2 下位机的硬件设计

下位机的硬件框图如图2所示，主要结构分为：STM32F103RCT6单片机、复位和晶振、LED灯、JTAG接口、电源、数字隔离器、CAN收发器等。

STM32F103RCT6是一款基于ARM的微控制器产品，引脚数为64，闪存存储器容量为256k字节的增强型芯片。该芯片性能优越，损耗小，片上资源丰富，支持JTAG调试模式，符合我们的设计需要。它自身也具有CAN控制器，波特率最高为1Mb/s，符合CAN协议2.0A和2.0B的规定，能够实现CAN通讯。利用JTAG调试接口对微处理器进行初始化，通过J-LINK下载器向STM32芯片烧录各种应用程序，来控制数据的收发和处理，同时JTAG接口可以为STM32提供3.3V的工作电压，省去了外部电源为它供电。

CAN数据收发模块包含数字隔离器、CAN收发器、CAN端口。数字隔离器选用的是基于ADI公司的磁耦隔离技术的双通道数字隔离器。它处于系统的中间，用来隔离各传感器的节点。CAN收发器的型号为TJA1050，它是CAN协议控制器和物理总线（双绞线）之间的接口，用于将CAN控制器的二进制码流转换为CAN总线的差分信号发送，将CAN总线的差分信号转换为CAN控制器二进制码流接收，主要实现逻辑电平与差分电平的转换。CAN端口提供了两路差分线接口、接地端、电压接口，电压接口外接5V电压源，为TJA1050提供工作电压。

3 下位机软件设计

下位机的开发采用的是支持JTAG调试接口的开发工具Keil uVision5，编程的要点有5个：

1）初始化CAN通讯使用的目标引脚和端口时钟；2）使能CAN外设的时钟；3）配置CAN外设的工作模式、位时序以及波特率；4）配置筛选器的工作方式；5）编写测试程序，收发报文并校验。

与所有使用到GPIO的外设一样，都要先将使用到的GPIO引脚模式初始化，配置好复用功能，CAN的两个引脚都配置成通用推挽输出模式即可。根据CAN外设的要求，TX引脚要配置成推挽复用输出、RX引脚要被设置成浮空输入或上拉输入。由于一些引脚的默认复用功能不是CAN外设的引脚，需要用到外设引脚的复用功能重映射才能正常使用，所以要在GPIO时钟部分加入AFIO时钟，实现重映射功能。我们需要使实验板和CAN总线网络的通讯节点通信，实验板的CAN配置必须要与该总线一致，选用的CAN工作模式为正常模式，此模式下一个正常的CAN节点可以向总线发送数据和接收数据。通过对位时序和分频的设置可以将波特率设置为125Kbps，符合本实验的要求。为了方便管理接收报文，需要使用筛选器，它可以将输出连接到接收FIFO，若通过了筛选器的匹配，报文会被存储到接收FIFO，因此要对标识符ID，筛选器工作方式和位宽进行自主设置。程序中将用到CAN的接收中断，当FIFO接收到数据就会引起中断，中断设定的是让LED灯进入流水灯模式。配置中断就是根据需要配置中断的优先级。如图3所示为实验过程的框图。配置好寄存器、工作方式、波特率等要求后，初始化工作基本完成。构造中断返回的CAN消息，可以在通讯成功与失败时在PC机上做出显示，同时上位机要通过筛选器的配置构造CAN报文，来完成对下位机的控制，如果成功接收到上位机的CAN消息，实验板上的LED灯会呈现流水灯现象，否则就将结束。

4 上位机软件设计

上位机的开发使用Visual C++的MFC来编写控制界面，使用到动态链接库，文本框的编辑和各类控件。此界面可以实现CAN数据的收发与显示，并完成USB—CAN转换器与PC机匹配的功能。发送的CAN数据类型和内容可在界面上由我们自行设置。

5 结语

在本文中，笔者详细阐述了一种测试上位机和下位机CAN通信的实验方式，最终通过LED流水灯的显示和CAN调试软件中数据的显示，实现了上下位机的CAN通讯，证明了实验的可行性。在文中也对各模块结构和器件进行了介绍和描述，对于研究CAN总线通信具有一定的指导作用。

参考文献：

[1] 张和新，王晓辉，黄晓东. 基于STM32和CAN总线的智能数据采集节点设计[J].化工自动化及仪表，2012（5）.

[2] 刘义平，公飞. 基于STM32的CAN总线接口设计与实现[J].信息与电脑，2016（8）.

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