CAN通信详解(全)

只看该作者 · 2021-2-24 23:48

发送单元的ACK，发送2个位的隐性位，而接收到正确消息的单元在ACK槽（ACK Slot）发送显性位，通知发送单元正常接收结束，这个过程叫发送ACK/返回ACK。发送 ACK 的是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送ACK）。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC 错误的消息。

只看该作者 · 2021-2-24 23:49

帧结束，这个段也比较简单，标准帧和扩展帧在这个段格式一样，由7个位的隐性位组成。
至此，数据帧的7个段就介绍完了，其他帧的介绍，请大家参考光盘的CAN入门书.pdf相关章节。接下来，我们再来看看CAN的位时序。

由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为 4 段。

l 同步段（SS）

l 传播时间段（PTS）

l 相位缓冲段1（PBS1）

l 相位缓冲段2（PBS2）

这些段又由可称为 Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。

1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，这称为位时序。

1 位由多少个Tq 构成、每个段又由多少个Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。

只看该作者 · 2021-2-24 23:50

1个位的构成如图30.1.8所示：

图30.1.8 一个位的构成
上图的采样点，是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。根据这个位时序，我们就可以计算CAN通信的波特率了。具体计算方法，我们等下再介绍，前面提到的CAN协议具有仲裁功能，下面我们来看看是如何实现的。
在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。
当多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。实现过程，如图30.1.9所示：

图30.1.9 CAN总线仲裁过程
上图中，单元1和单元2同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的，故无法区分优先级，直到T时刻，单元1输出隐性电平，而单元2输出显性电平，此时单元1仲裁失利，立刻转入接收状态工作，不再与单元2竞争，而单元2则顺利获得总线使用权，继续发送自己的数据。这就实现了仲裁，让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。

通过以上介绍，我们对CAN总线有了个大概了解（详细介绍参考光盘的：《CAN入门书.pdf》），接下来我们介绍下STM32的CAN控制器。

STM32自带的是bxCAN，即基本扩展CAN。它支持CAN协议2.0A和2.0B。它的设计目标是，以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求(优先级特性可软件配置)。对于安全紧要的应用，bxCAN提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。

只看该作者 · 2021-2-24 23:50

STM32的bxCAN的主要特点有：

l 支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式

l 波特率最高达1Mbps

l 支持时间触发通信

l 具有3个发送邮箱

l 具有3级深度的2个接收FIFO

l 可变的过滤器组（最多28个）

只看该作者 · 2021-2-24 23:51

在STM32互联型产品中，带有2个CAN控制器，而我们使用的STM32F103ZET6属于增强型，不是互联型，只有1个CAN控制器。双CAN的框图如图30.1.10所示：

图30.1.10 双CAN框图
从图中可以看出两个CAN都分别拥有自己的发送邮箱和接收FIFO，但是他们共用28个滤波器。通过CAN_FMR寄存器的设置，可以设置滤波器的分配方式。

STM32的标识符过滤是一个比较复杂的东东，它的存在减少了CPU处理CAN通信的开销。STM32的过滤器组最多有28个（互联型），但是STM32F103ZET6只有14个（增强型），每个滤波器组x由2个32为寄存器，CAN_FxR1和CAN_FxR2组成。

只看该作者 · 2021-2-24 23:52

STM32每个过滤器组的位宽都可以独立配置，以满足应用程序的不同需求。根据位宽的不同，每个过滤器组可提供：

● 1个32位过滤器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位

● 2个16位过滤器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

此外过滤器可配置为，屏蔽位模式和标识符列表模式。

在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。

而在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此，不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用2个标识符寄存器。接收报文标识符的每一位都必须跟过滤器标识符相同。

只看该作者 · 2021-2-24 23:52

通过CAN_FMR寄存器，可以配置过滤器组的位宽和工作模式，如图30.1.11所示：

图30.1.11 过滤器组位宽模式设置

为了过滤出一组标识符，应该设置过滤器组工作在屏蔽位模式。

为了过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。

应用程序不用的过滤器组，应该保持在禁用状态。

过滤器组中的每个过滤器，都被编号为(叫做过滤器号，图30.1.11中的n)从0开始，到某个最大数值－取决于过滤器组的模式和位宽的设置。

只看该作者 · 2021-2-24 23:53

举个简单的例子，我们设置过滤器组0工作在：1个32为位过滤器-标识符屏蔽模式，然后设置CAN_F0R1=0XFFFF0000，CAN_F0R2=0XFF00FF00。其中存放到CAN_F0R1的值就是期望收到的ID，即我们希望收到的映像（STID+EXTID+IDE+RTR）最好是：0XFFFF0000。而0XFF00FF00就是设置我们需要必须关心的ID，表示收到的映像，其位[31:24]和位[15:8]这16个位的必须和CAN_F0R1中对应的位一模一样，而另外的16个位则不关心，可以一样，也可以不一样，都认为是正确的ID，即收到的映像必须是0XFFxx00xx，才算是正确的（x表示不关心）。

关于标识符过滤的详细介绍，请参考《STM32参考手册》的22.7.4节（431页）。接下来，我们看看STM32的CAN发送和接收的流程。

CAN发送流程

CAN发送流程为：程序选择1个空置的邮箱（TME=1）à设置标识符（ID），数据长度和发送数据à设置CAN_TIxR的TXRQ位为1，请求发送à邮箱挂号（等待成为最高优先级）à预定发送（等待总线空闲）à发送à邮箱空置。整个流程如图30.1.12所示：

图30.1.12 发送邮箱

只看该作者 · 2021-2-24 23:53

上图中，还包含了很多其他处理，不强制退出发送（ABRQ=1）和发送失败处理等。通过这个流程图，我们大致了解了CAN的发送流程，后面的数据发送，我们基本就是按照此流程来走。接下来再看看CAN的接收流程。

CAN接收流程

CAN接收到的有效报文，被存储在3级邮箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬件来管理，从而节省了CPU的处理负荷，简化了软件并保证了数据的一致性。应用程序只能通过读取FIFO输出邮箱，来读取FIFO中最先收到的报文。这里的有效报文是指那些正确被接收的（直到EOF都没有错误）且通过了标识符过滤的报文。前面我们知道CAN的接收有2个FIFO，我们每个滤波器组都可以设置其关联的FIFO，通过CAN_FFA1R的设置，可以将滤波器组关联到FIFO0/FIFO1。

CAN接收流程为：FIFO空à收到有效报文à挂号_1（存入FIFO的一个邮箱，这个由硬件控制，我们不需要理会）à收到有效报文à挂号_2à收到有效报文à挂号_3à收到有效报文à溢出。

这个流程里面，我们没有考虑从FIFO读出报文的情况，实际情况是：我们必须在FIFO溢出之前，读出至少1个报文，否则下个报文到来，将导致FIFO溢出，从而出现报文丢失。每读出1个报文，相应的挂号就减1，直到FIFO空。CAN接收流程如图30.1.13所示：

图30.1.13 FIFO接收报文

只看该作者 · 2021-2-24 23:54

FIFO接收到的报文数，我们可以通过查询CAN_RFxR的FMP寄存器来得到，只要FMP不为0，我们就可以从FIFO读出收到的报文。

接下来，我们简单看看STM32的CAN位时间特性，STM32的CAN位时间特性和之前我们介绍的，稍有点区别。STM32把传播时间段和相位缓冲段1（STM32称之为时间段1）合并了，所以STM32的CAN一个位只有3段：同步段（SYNC_SEG）、时间段1（BS1）和时间段2（BS2）。STM32的BS1段可以设置为1~16个时间单元，刚好等于我们上面介绍的传播时间段和相位缓冲段1之和。STM32的CAN位时序如图30.1.14所示：

图30.1.14 STM32 CAN位时序

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图中还给出了CAN波特率的计算公式，我们只需要知道BS1和BS2的设置，以及APB1的时钟频率（一般为36Mhz），就可以方便的计算出波特率。比如设置TS1=6、TS2=7和BRP=4，在APB1频率为36Mhz的条件下，即可得到CAN通信的波特率=36000/[(7+8+1)*5]=450Kbps。

接下来，我们介绍一下本章需要用到的一些比较重要的寄存器。首先，来看CAN的主控制寄存器（CAN_MCR），该寄存器各位描述如图30.1.15：

图30.1.15 寄存器CAN_MCR各位描述

只看该作者 · 2021-2-24 23:55

该寄存器的详细描述，请参考《STM32参考手册》22.9.2节（439页），这里我们仅介绍下INRQ位，该位用来控制初始化请求。

软件对该位清0，可使CAN从初始化模式进入正常工作模式：当CAN在接收引脚检测到连续的11个隐性位后，CAN就达到同步，并为接收和发送数据作好准备了。为此，硬件相应地对CAN_MSR寄存器的INAK位清’0’。

软件对该位置1可使CAN从正常工作模式进入初始化模式：一旦当前的CAN活动(发送或接收)结束，CAN就进入初始化模式。相应地，硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位置’1’。

所以我们在CAN初始化的时候，先要设置该位为1，然后进行初始化（尤其是CAN_BTR的设置，该寄存器，必须在CAN正常工作之前设置），之后再设置该位为0，让CAN进入正常工作模式。

只看该作者 · 2021-2-24 23:55

第二个，我们介绍CAN位时序寄存器（CAN_BTR），该寄存器用于设置分频、Tbs1、Tbs2以及Tsjw等非常重要的参数，直接决定了CAN的波特率。另外该寄存器还可以设置CAN的工作模式，该寄存器各位描述如图30.1.16所示：

图30.1.16 寄存器CAN_BTR各位描述

只看该作者 · 2021-2-24 23:56

STM32提供了两种测试模式，环回模式和静默模式，当然他们组合还可以组合成环回静默模式。这里我们简单介绍下环回模式。
在环回模式下，bxCAN把发送的报文当作接收的报文并保存(如果可以通过接收过滤)在接收邮箱里。也就是环回模式是一个自发自收的模式，如图30.1.17所示：

图30.1.17 CAN环回模式

只看该作者 · 2021-2-24 23:57

环回模式可用于自测试。为了避免外部的影响，在环回模式下CAN内核忽略确认错误(在数据/远程帧的确认位时刻，不检测是否有显性位)。在环回模式下，bxCAN在内部把Tx输出回馈到Rx输入上，而完全忽略CANRX引脚的实际状态。发送的报文可以在CANTX引脚上检测到。
第三个，我们介绍CAN发送邮箱标识符寄存器（CAN_TIxR）（x=0~3），该寄存器各位描述如图30.1.18所示：

图30.1.18 寄存器CAN_TIxR各位描述

只看该作者 · 2021-2-24 23:57

该寄存器主要用来设置标识符（包括扩展标识符），另外还可以设置帧类型，通过TXRQ值1，来请求邮箱发送。因为有3个发送邮箱，所以寄存器CAN_TIxR有3个。

第四个，我们介绍CAN发送邮箱数据长度和时间戳寄存器 (CAN_TDTxR) (x=0~2)，该寄存器我们本章仅用来设置数据长度，即最低4个位。比较简单，这里就不详细介绍了。

第五个，我介绍的是CAN发送邮箱低字节数据寄存器 (CAN_TDLxR) (x=0~2)，该寄存器各位描述如图30.1.19所示：

图30.1.19 寄存器CAN_TDLxR各位描述

只看该作者 · 2021-3-4 13:09

使用自带的can模块吗

只看该作者 · 2021-3-4 13:10

过滤器用不好啊

只看该作者 · 2021-3-4 13:11

请问什么叫做隐性位啊

只看该作者 · 2021-3-4 13:13

发送ack是自主发送的吗