实验十 基于CAN总线的网络式超声波测距仪设计

微控制器
综合设计与实训
实验名称：实验十基于CAN总线的网络式超声波测距仪
设计
实验十：基于CAN总线的网络式超声波测距仪设计
1 实训任务
(1) 配置相关引脚的复用功能，使能和配置定时器外部输入捕捉中断；
(2) 使用超声波模块测距；
(3) 使用DS18B20数字温度传感器采集温度数据。

1．1 实验说明
(1)CAN是Controller Area Network的缩写(以下称为CAN)，是ISO国际标准化的串行通信协议。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。

总线电平分为显性电平和隐性电平，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。

(2) 超声波模块简介。

本试验超声波模块采用HC-SR04模块。

HC-SR04模块工作原理：
a. 采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；
b. 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
c. 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2；
本模块使用方法简单，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。

一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。

如此不断的周期测，即可以达到移动测量的值。

(3)DS18B20数字温度传感器简介。

DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的温度传感器。

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、
与微处理器接口简单的数字化温度传感器。

一线总线结构具有简洁且经济的特点，可轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，测量温度范围为-55~+125℃，精度为±0.5℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~l2位的数字值读数方式。

它工作在3—5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

其内部结构如图所示：
图11.1 DS18B20内部结构图
1．2 实验步骤
(1) 配置相关引脚的复用功能，使能和配置定时器外部输入捕捉中断；
(2) 编写CAN通信程序；
(3) 编写液晶显示程序，显示测量距离；
(4) 调用片内温度传感器采集的温度数据，对测量距离进行温度校正；
(5) 编译无误，下载程序至实训平台并调试。

2 程序设计
(1) 配置相关引脚的复用功能，使能CAN时钟。

使能CAN的时钟设置CAN的相关引脚为复用输出，这里需要设置PA11为上拉输入(CAN_RX 引脚)PA12为复用输出(CAN_TX 引脚)，并使能PA口的时钟。

使能CAN1时钟的函数是：RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);//使能CAN1
时钟
(2) 设置CAN工作模式及波特率等。

在库函数中，提供了函数CAN_Init()用来初始化CAN的工作模式以及波特率，CAN_Init()函数体中，在初始化之前，会设置CAN_MCR寄存器的INRQ为1让其进入初始化模式，然后初始化CAN_MCR寄存器和CRN_BTR寄存器之后，会设置CAN_MCR寄存器的INRQ为0让其退出初始化模式。

所以在调用这个函数的前后不需要再进行初始化模式设置。

下面来看看CAN_Init()函数的定义：uint8_t CAN_Init(CAN_TypeDef* CANx, CAN_InitTypeDef* CAN_InitStruct)；
第一个参数就是CAN标号，这里的芯片只有一个CAN，所以就是CAN1。

第二个参数是CAN初始化结构体指针，结构体类型是CAN_InitTypeDef，下面来看看这个结构体的定义
图11.4 结构体
这个结构体看起来成员变量比较多，实际上参数可以分为两类。

前面5个参数是用来设置寄存器CAN_BTR，用来设置模式以及波特率相关的参数，设置模式的参数是CAN_Mode，实验中用到常规模式CAN_Mode_Normal。

其他设置
波特率相关的参数CAN_Prescaler，CAN_SJW，CAN_BS1和CAN_BS2分别用来设置波特率分频器，重新同步跳跃宽度以及时间段1和时间段2占用的时间单元数。

后面6个成员变量用来设置寄存器CAN_MCR，也就是设置CAN通信相关的控制位。

中文参考手册中对这两个寄存器的描述，非常详细。

初始化实例为：
图11.5 初始化
(3) 设置滤波器。

本实验中，将使用滤波器组0，并工作在32位标识符屏蔽位模式下。

先设置CAN_FMR的FINIT 位，让过滤器组工作在初始化模式下，然后设置滤波器组0的工作模式以及标识符ID和屏蔽位。

最后激活滤波器，并退出滤波器初始化模式。

在库函数中，提供了函数CAN_FilterInit ()用来初始化CAN的滤波器相关参数，CAN_Init()函数体中，在初始化之前，会设置CAN_FMR 寄存器的INRQ 为INIT让其进入初始化模式，然后初始化CAN滤波器相关的寄存器之后，会设置CAN_FMR寄存器的FINIT为0让其退出初始化模式。

所以在调用这个函数的前后不需要再进行初始化模式设置。

下面来看看CAN_FilterInit ()函数的定义：
void CAN_FilterInit(CAN_FilterInitTypeDef* CAN_FilterInitStruct)；
这个函数只有一个入口参数就是CAN滤波器初始化结构体指针，结构体类型为
CAN_FilterInitTypeDef，下面看看类型定义：
图11.6 类型定义
结构体一共有9个成员变量，第1个至第4个是用来设置过滤器的32 id以及32位mask id，分别通过2个16位组合。

第5个成员CAN_FilterFIFOAssignment 用来设置FIFO和过滤器的关联关系，本实验是关联的过滤器0到FIFO0，值为CAN_Filter_FIFO0。

第6个成员变量CAN_FilterNumber用来设置初始化的过滤器组，取值范围为0~13。

第7个成员变量FilterMode用来设置过滤器组的模式，取值为标识符列表模式CAN_FilterMode_IdList和标识符屏蔽位模式CAN_Filter Mode_IdMask。

第8个成员变量FilterScale用来设置过滤器的位宽为2个16位CAN_FilterScale_16bit还是1个32位CAN_FilterScale_32bit。

第9个成员变量CAN_FilterActivation就很明了了，用来激活该过滤器。

过滤器初始化参考实例代码：
图11.7 过滤器初始化至此，CAN就可以开始正常工作了。

完整CAN通信初始化参考代码：
Mode_IdMask
图11.8 CAN通信初始化
(4) 发送接受消息
在初始化CAN相关参数以及过滤器之后，接下来就是发送和接收消息了。

库函数中提供了发送和接受消息的函数。

发送消息的函数是：
uint8_t CAN_Transmit(CAN_TypeDef* CANx, CanTxMsg* TxMessage)；
这个函数比较好理解，第一个参数是CAN标号，这里使用CAN1。

第二个参数是相关消息结构体CanTxMsg指针类型，CanTxMsg结构体的成员变量用来设置标准标识符，扩展标示符，消息类型和消息帧长度等信息。

图11.9 发送消息
接受消息的函数是：
void CAN_Receive(CAN_TypeDef* CANx, uint8_t FIFONumber, CanRxMsg* RxMessage)；
前面两个参数也比较好理解，CAN标号和FIFO号。

第二个参数RxMessage 是用来存放接受到的消息信息。

结构体CanRxMsg和结构体CanTxMsg比较接近，分别用来定义发送消息和描述接受消息，可以对照着看一下，也比较好理解。

图11.10 接受消息
(5) CAN状态获取
对于CAN发送消息的状态，挂起消息数目等等之类的传输状态信息，库函数提供了一些列的函数，包括CAN_TransmitStatus()函数，CAN_MessagePending()函数，CAN_GetFlagStatus()函数等等，可以根据需要来调用。

在can.c文件中只需要编写上述函数即可。

图11.11 can.c文件
至此，can通信模块已经全部处理好了，使用时在主函数中调用即可
(6) 下面进行超声波模块的编写。

首先在HARDWARE文件下建立wave.c 文件和wave.h文件。

在wave.c中进行超声波模块的初始化函数以及测距函数的编写。

超声波初始化：
图11.12 超声波初始化
测距函数：
距离计算：TIM2_Cap_Init(0XFFFF,72-1);//以1Mhz的频率计数，1us计数一次，最大计数周期为65536us
图11.13 测距函数
以上语句的作用是得到超声波从发出到返回所用的时间。

根据每个人设定的计时器的arr和psc不同，上面的计算方式也不同，目的是得到总的高电平时间。

(7)TFTLCD显示需要的相关设置步骤如下：
1) 设置STM32F1与TFTLCD模块相连接的IO。

这一步，先将TFTLCD模块相连的IO口进行初始化，以便驱动LCD，这里用到的是FSMC，FSMC在下边会有详细讲解。

2)初始化TFTLCD模块。

这里没有硬复位LCD，因为实训平台的LCD接口，将TFTLCD的RST同STM32F1的RET1连接在一起了，只要按下开发板的RET1键，就会对LCD 进行硬复位。

初始化序列，就是向LCD控制器写入一系列的设置值（比如伽马校准），这些初始化序列一般LCD供应商会提供给客户，直接使用这些序列即可，不需要深入研究。

在初始化之后，LCD才可以正常使用。

3)通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。

这一步则通过设置坐标—>写GRAM指令—>写GRAM来实现，但是这个步骤，只是一个点的处理，要显示字符/数字，就必须要多次使用这个步骤，从而达到显示字符/数字的目的，所以需要设计一个函数来实现数字/字符的显示，之后调用该函数，就可以实现数字/字符的显示了。

重点函数使用：
//在指定位置显示一个字符
//x,y:起始坐标
//num:要显示的字符:" "--->"~" //size:字体大小 12/16/24 //mode:叠加方式(1)还是非叠加方式(0) void LCD_ShowChar(u16 x,u16 y,u8 num,u8 size,u8 mode)
//显示字符串 //x,y:起点坐标 //width,height:区域大小 //size:字体大小 //*p:字符串起始地址 void LCD_ShowString(u16 x,u16 y,u16 width,u16 height,u8 size,u8 *p)
//显示数字,高位为 0,则不显示 //x,y :起点坐标 //len :数字的位数 //size:字体大小 //num:数值(0~4294967295); void LCD_ShowNum(u16 x,u16 y,u32 num,u8 len,u8 size) LCD 模块配置步骤较为复杂，可以直接添加或者复制 LCD 初始化函数模板， 这里不再提供。

(8) 与超声波一样，DS18B20 的初始化编写同样可以在 HARDWARE 下建立 ds18b20.c 文件及 ds18b20.h。

ds18b20.c 文件程序如下：
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图 11.14 ds18b20.c 文件 (9) 各模块具体操作步骤已经讲过，超声波的捕获由 PA1 出发，另设置 PA0 定时器 2 通道 1 为输入捕获模式，得到超声波返回的高电平时间，然后通过计算 可以得到声音在空气中传播的时间；DS18B20 通过 PA8 与 MCU 进行通信，可 以得到温度值，然后通过计算得到声音在空气中传播的速度；这样便得到了距离。

测距公式：测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

温度补偿公式：声速= 331.5+0.607*摄氏度
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下面主要讲一下主函数中重要的语句。

在发送方：需要配置 CAN 通信发送模式以及超声波模块和 DS18B20 模块。

CAN_Mode_Init(CAN_SJW_1tq,CAN_BS2_8tq,CAN_BS1_9tq,4,CAN_Mode _Normal);//设置 CAN 通信为普通模式 Distance=temp/1000000* canbuf[1]*100*2; //得到距离 canbuf[2]=Distance; //保存在数组中 res=Can_Send_Msg(canbuf,3); //将数组 canbuf[]中的数据通过 Can 总线传送 过去 需要注意：CAN 通信最大传送字节为 8
图 11.15 发送方程序 发送方程序样例：(由于各模块在前面简介中已经介绍过，这里只列出主函 数例) 在接收方：需要配置 CAN 通信接受模式以及 LCD 显示数据。

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图 11.16 接收方程序 计时器程序编写步骤在前面已经讲过，这里不在赘述。

步骤总结： 发送端：首先将 STM32ZET6 程序模板改为 STM32C8T6，具体操作如下 打开任意工程模板点击魔法棒按钮：
之后弹出操作窗口：
图 11.17 点击魔法棒
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图 11.18 选择型号 按图上箭头指出选择 STM32103C8 接下来：
图 11.19 添加 Define 点击 C/C++按钮，由于 ZET6 为大容量芯片，C8T6 为中容量芯片，将上图 箭头指向的“HD”改为“MD”点击 OK 即可开始编写程序，注意 C8T6 的各个管脚。

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发送端代码编写： (1)CAN 通信初始化正常模式 (2) 计时器初始化，选定预装载值和分频系数 (3) 超声波模块驱动编写，能够得到距离 (4)DS18b20 驱动编写，能够得到温度值 (5) 主函数编写，通过 CAN 将得到的距离和温度值发送给接收显示端 接收端代码编写： 使用的是 ZET6 的芯片，注意工程建立不要弄混了。

(1)CAN 通信初始化选择正常模式或者静默接受模式 (2)LCD 初始化及显示页面设计 (3) 通过 CAN 接收距离和温度数据，存储在数组当中 (4) 用 LCD 显示接收到的数据
3 硬件原理图设计
硬件资源占用比较多，CAN 总线的发射和接收需要在两个芯片烧入各自的 发射和接收程序，然后连接到总线进行通讯。

见下图：
图 11.2 超声波部分原理图(发送端)
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图 11.3 主控芯片 CAN 总线部分原理图(接收端) 用 2 根导线将两个模块 CAN 端子的 CAN_L 和 CAN_L，CAN_H 和 CAN_H 连接起来。

4 总结
由于缺少硬件设施，无法进行捕获实验的仿真图片展示。

实验心得：通过本次实验，我学到了 CAN 串行通信协议，CAN 控制器根据 两根线上的电位差来判断总线电平。

总线电平分为显性电平和隐性电平，类似逻 辑电平非 0 即 1 只有两个状态。

发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给 接收方。

CAN 协议通过 5 种类型帧进行：数据帧（用于发送单元向接收单元传 送数据的帧）、要控帧（用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧）、 错误帧（用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧）、过载帧（用于接收单 元通知其尚未做好接收准备的帧）、间隔帧（用于将数据帧及遥控帧与前面的帧 分离开来的帧）。

发现的问题：对比串口通信了解到 CAN 总线的优越性？ 解释： 1. 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点； 2. 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作； 3. 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus
上，形成多主机局部网络； 4. 可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文； 5. 可靠的错误处理和检错机制；
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6. 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 7. 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 8. 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信
息。

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