基于航顺芯片HK32F103的CAN的驱动应用

只看该作者 · 2021-10-19 17:15

航顺芯片HK32F103系列是一款功能强大的32bit MCU，内部集成多个通信模块，其中CAN模块支持CAN协议2.0A和2.0B。目前广泛应用的是CAN 2.0B协议，其收发数据速度高达1Mbps，有两种不同长度的ID标识符，一种是11位的，一种是29位的。该CAN协议的主要特点为：

(1) 多主控制：

在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息。

(2) 消息的发送：

在 CAN 协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（ Identifier 以下称为 ID）决定优先级。 ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。即多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权。

(3) 系统的柔软性：

与总线相连的CAN节点没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加CAN节点时，连接在总线上的其它CAN节点的软硬件及应用层都不需要改变。

(4) 通信速度：

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。在同一网络中，所有CAN节点必须设定成统一的通信速度。即使有一个CAN节点的通信速度与其它的不一样，此CAN节点也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。

(5) 远程数据请求：

可通过发送“遥控帧” 请求其他CAN节点发送数据。

(6) 错误检测功能·错误通知功能·错误恢复功能：

所有的CAN节点都可以检测错误（错误检测功能）。

检测出错误的CAN节点会立即同时通知其他所有CAN节点（错误通知功能）。

正在发送消息的CAN节点一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的CAN

节点会不断反复重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

(7) 故障封闭：

CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的CAN节点从总线上隔离出去。

(8) 位填充： CAN通信的同步信息包含于传输数据中，电平的跳转提供了同步信息，如果连续多个相同的总线值出现，这将影响到同步信息的提取。为此CAN采用位填充规则，即在一帧中的帧起始，仲裁场，控制场，数据场和CRC场部分（ CRC界定符，应答帧和帧结束除外），当发送器检测到5个具有相同数值的连续位时，将自动插入一个补码位。接收节点收到5个连续位后下一位自动删除。

(9) 连接：

CAN 总线是可同时连接多个CAN节点的总线。可连接的节点总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的节点数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的CAN节点数增加；提高通信速度，则可连接的CAN节点数减少。如下是CAN通信速度和距离对应图：

(9) CAN总线物理框架可以抽象为：

MCU（微处理器） <--> CAN控制器 <--> CAN收发器 <--> CAN数据传输总线（CAN-H,CAN-L）。如下图示：

CAN总线的数据传输线——>两条双向数据线，分为高位﹝CAN-H﹞和低位﹝CAN-L﹞数据线，为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，两条数据线缠绕在一起，要求至少每 2.5cm 就要扭绞一次，两条线上的电位是相反的，电压的和总等于常值。

CAN总线的终端电阻——>防止数据在到达线路终端后象回声一样返回，并因此而干扰原始数据，从而保证了数据的正确传送，终端电阻装在控制单元内。

CAN总线帧类型：

数据帧-Data frame

携带数据从发送节点到接收节点。

分为标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符）。

远程帧-Remote frame

向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧, 远程帧也有标准帧和扩展帧两种格式。

例如CAN节点A需要知道CAN节点B的油温温度，CAN节点A发送一个远程帧给节点B，节点B收到该远程帧后发送一个带油温数据的数据帧给节点A。

错误帧-Error frame

节点检测到错误之后发送错误帧。

错误标志: 主动错误标志（000000）和被动错误标志（111111）。

错误界定符:11111111。

过载帧-Overload frame

接收节点通知其尚未做好接收准备, 过载标志（过载标志重叠部分）+过载标志界定符。

以下是关于CAN帧/报文中各个部分的说明：

帧起始：SOF

0，占用1位。当总线空闲时发送，用于CAN总线上的每个节点的信息同步。

仲裁段：ID+RTR

ID:

表示数据帧的优先级，先发送高位再发送低位。 11位或29位长度。

RTR(Remote Transmit Request):

0: 表示该CAN帧是数据帧。

1: 表示该CAN帧是远程帧。

控制段：IDE+r0+DLC

IDE(IDentifier Extension):

0: 标准格式。

1: 扩展格式。

保留位r0:

0。

保留位r1:

0。

DLC(Data Length Code):

表示数据域中的字节数，范围０～８.

数据段：Data

CRC段：CRC Sequence+CRC界定符

CRC polynomial:

x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1

CRC界定符:

1.

ACK段：ACK Slot+ACK界定符

接收到匹配CRC序列的节点会在应答位期间，写0在发送器的隐性位作为回应。

ACK界定符:

1.

帧结束：EOF

1111111,表示数据帧或远程帧的结束。

SRR(Substitute Remote Request):

1, 扩展帧中代替RTR位.

CAN总线通信机制—报文发送

-载波侦听和带冲突检测协议的多路访问（ CSMA/CD）

-发送节点：回读；

接收节点：监听

-线与机制：

所有节点发送1，总线上才是1；有一个节点发送0，总线上就是0，即高电平是隐性位，低电平是显性位。

-总线仲裁：如果有两个或两个以上的节点同时向总线上发送数据，标识符小的获得仲裁，标识符大的退出仲裁（回读和线与）。

例如：

ID1:00000000010
ID2:00000000001

CAN总线通信机制—报文接收

如果总线上有数据正在发送，所有节点都会接收总线数据，只有通过接收节点的报文过滤规则才能被节点接收进控制器。

CAN的错误状态：

主动错误状态：主动错误状态是可以正常参加总线通信的状态。处于主动错误状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。
被动错误状态：被动错误状态是易引起错误的状态。处于被动错误状态的单元检测出错误时，输出被动错误标志。处于被动错误状态的单元即使检测出错误，而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的。
总线关闭状态：总线关闭态是不能参加总线上通信的状态。信息的接收和发送均被禁止。

错误类型：

现在，我们以航顺芯片的HK32F103VET6(LQFP-100)为例来说明CAN通信的驱动实现。HK32F103VET6是航顺芯片的一款功能强大的32位MCU，内部集成CAN控制器，因此进行CAN通信时，只需要外接一个CAN收发器。

由HK32F103芯片的datasheet，如下截图我们得知，CAN的发送引脚为PA12，接收引脚为PA11。

由HK32F103芯片的用户手册，如下截图，得知需要把CAN的发送引脚PA12设置为推挽复用输出，CAN的接收引脚PA11设置为浮空输入或上拉输入。

详细的GPIO配置，依据该芯片的用户手册的表8-1：

因此，软件中对引脚的设置如下：

这里，我们使用TJA1050作为CAN收发器，原理示意图如下：

将CAN_D连接HK32F103VET6芯片的引脚PA12，CAN_R连接HK32F103VET6芯片的引脚PA11，CANL和CANH接外部CAN总线（即前文提到的CAN-L和CAN-H）。

软件驱动方面，首先应该使能CAN模块的时钟，如下：

HK32F103VET6芯片CAN模块（后续我们简称其为bxCAN）有3个主要的工作模式：初始化、正常和睡眠模式。在硬件复位后，bxCAN 工作在睡眠模式以节省电能，同时 CANTX 引脚的内部上拉电阻被激活。软件通过对 CAN_MCR 寄存器的INRQ或SLEEP 位置’1’，可以请求 bxCAN 进入初始化或睡眠模式。一旦进入了初始化或睡眠模式，bxCAN 就对 CAN_MSR 寄存器的 INAK 或 SLAK 位置’1’来进行确认，同时内部上拉电阻被禁用。当INAK 和 SLAK 位都为’0’时，bxCAN 就处于正常模式。在进入正常模式前，bxCAN 必须跟 CAN 总线取得同步；为取得同步，bxCAN 要等待 CAN 总线达到空闲状态，即在 CANRX 引脚上监测到 11 个连续的隐性位。

因此我们需要把CAN模块设置为初始化模式，如下：

在初始化模式设置成功之后，根据具体应用的要求，设置自动离线(Bus-Off)管理、自动唤醒模式、是否禁止报文自动重传、接收FIFO锁定模式、发送 FIFO 优先级等，如下示例：

CAN通信过程中，很重要的一点是设置通信速率，bxCAN的通信速率设置依据HK32F103VET6用户手册中的：

我们现在要设置500Kbps的通信速度，那么需要设置APB时钟频率为36MHz，还需要设置位BRP=3，TS1=8，TS2=7，如下：

至此，CAN初始化中几个重要特性已经设置好，可以把CAN模块设置位正常模式，以便正常地发送报文。从初始化模式切换为正常模式的设置，如下：

报文的发送，其核心在于正确操作CAN_TIxR、CAN_TDTxR、CAN_TDLxR、CAN_TDHxR寄存器，如下为例，发送标准格式的ID=0x12的8字节长度的CAN数据帧报文。

并通过对应的状态寄存器检查发送成功与否：

某个CAN节点要接收哪些CAN报文，由其CAN接收规则（或者称为接收过滤器）设定。在接收到有效的报文之前，应该先设置好其接收规则。为此，HK32F103VET6的bxCAN 控制器为应用程序提供了 14 个位宽可变的、可配置的过滤器组（13~0），以便只接收那些软件需要的报文。硬件过滤的做法节省了 CPU 开销，否则就必须由软件过滤从而占用很大的 CPU开销。每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FiR1和CAN_FiR2【(CAN_FiRx) (i＝0..13； x=1..2)】，组成。

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。

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。

过滤器组可以通过相应的 CAN_FM1R 寄存器配置。在配置一个过滤器组前，必须通过清除 CAN_FAR寄存器的 FACT 位，把它设置为禁用状态。通过设置 CAN_FS1R 的相应 FSCx 位，可以配置一个过滤器组的位宽，请参见下图。通过 CAN_FM1R 的 FBMx 位，可以配置对应的屏蔽/标识符寄存器的标识符列表模式或屏蔽位模式。

我们以常用的一个32位过滤器+标识符屏蔽的方式为例进行说明。

如上图，“映像”行中，RTR对应CAN_FiRx的bit1，IDE对应CAN_FiRx的bit2，EXID对应CAN_FiRx的bit3-bit20，STID对应CAN_FiRx的bit21-bit31。结合前文仲裁段和控制段所述，RTR为0时表示该CAN帧是数据帧，为1时表示该CAN帧是远程帧；IDE为0时表示该CAN帧是标准格式，为1时表示该CAN帧是扩展格式。标准格式下只用到STID位，扩展格式下还会用到EXID位。在32位过滤器+标识符屏蔽的方式应用中，“ID”行中，即CAN_FiR1寄存器用于设置CAN报文的ID、IDE、RTR。“屏蔽”行中，即CAN_FiR2寄存器用于设置接收报文过程中，是否比较ID、IDE、RTR这些对应的各个位，为0时表示“不用关心”，为1时表示“必须匹配”。以RTR为例，当设置CAN_FiR2的RTR为1“必须匹配”，且CAN_FiR1时RTR为0时，表示只接收数据帧，不接收远程帧；而当设置CAN_FiR2的RTR为0时“不用关心”，表示无论是数据帧还是远程帧，都会进行接收。

下面，我们开始说明过滤器的具体设置。

首先应该设置过滤器组工作在初始化模式并暂时禁用过滤器，如下：