STM32入門學(xué)習(xí)筆記之CAN通信實(shí)驗(yàn)1

18.1 CAN協(xié)議

18.1.1 協(xié)議概述

CAN是Controller Area Network的縮寫，最初是專門用于汽車網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，與485協(xié)議相似，CAN也是一種2線制，采用兩根線的電壓差進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，隨著CAN協(xié)議的高性能與可靠性被認(rèn)同，現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用在工業(yè)自動(dòng)化，船舶等當(dāng)面，目前最熱門的國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，J1939通信協(xié)議就是以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。

CAN協(xié)議最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km，與485相似，CAN也有兩種電平，分別為顯性電平與隱性電平，當(dāng)CAN_H與CAN_L電壓一致的時(shí)候?yàn)殡[性電平，反之為顯性電平。實(shí)際上隱性電平代表邏輯電平1，顯性電平代表邏輯電平0，CAN在通信的時(shí)候，也需要在每個(gè)設(shè)備輸出端并聯(lián)1個(gè)120Ω的終端匹配電阻，用于進(jìn)行阻抗匹配。

18.1.2 通信組成

CAN協(xié)議通過(guò)5種類型的幀進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)幀，遙控幀，錯(cuò)誤幀，過(guò)載幀和間隔幀，其中數(shù)據(jù)幀與遙控幀具有標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式兩種，標(biāo)準(zhǔn)格式有11個(gè)位的標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展格式則有29個(gè)位的標(biāo)識(shí)符，五種幀的功能如下所示。

（1）數(shù)據(jù)幀：用于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸

（2）遙控幀：用于接收端向具有相同ID的發(fā)送端請(qǐng)求數(shù)據(jù)

（3）錯(cuò)誤幀：用于檢測(cè)報(bào)錯(cuò)時(shí)通知其他設(shè)備

（4）過(guò)載幀：用于接收端通報(bào)尚未準(zhǔn)備好接收準(zhǔn)備

（5）間隔幀：用于將數(shù)據(jù)幀與遙控幀和前面的幀分割

完整的數(shù)據(jù)幀構(gòu)成如下圖所示。

數(shù)據(jù)幀一般由7段組成：

（1）幀起始：即數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的段，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由1個(gè)位的顯性電平表示幀起始

（2）仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式在這一段結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其中RTR位用于標(biāo)識(shí)是否是遠(yuǎn)程幀（0代表數(shù)據(jù)幀；1代表遠(yuǎn)程幀），IDE位為標(biāo)識(shí)符選擇位（0表示使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符；1表示使用擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符），SRR位為代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，為隱性位，代替了標(biāo)準(zhǔn)幀中的RTR位。

（3）控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)即保留位，由6個(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的控制段結(jié)構(gòu)如下圖所示。

r0和r1為保留位，必須全部以顯性電平發(fā)送，但是接收端可以接收顯性、隱性及任意組合的電平。DLC段為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示段，高位在前，DLC段有效值為08，但是接收方接收到915的時(shí)候并不認(rèn)為是錯(cuò)誤。

（4）數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段內(nèi)容，一段可以發(fā)送0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，從最高位MSB開(kāi)始輸出

（5）CRC校驗(yàn)：CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性

（6）應(yīng)答段：表示正常接收

（7）幀結(jié)束：表示該幀結(jié)束

18.1.3 通信參數(shù)

由發(fā)送單元在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數(shù)稱為位速率。一個(gè)位可分為4段。

（1）同步段（SS）

（2）傳播時(shí)間段（PTS）

（3）相位緩沖段1（PBS1）

（4）相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為Tq的最小時(shí)間單位構(gòu)成。1位分為4個(gè)段，每個(gè)段又由若干個(gè)Tq構(gòu)成，這稱為位時(shí)序。1位由多少個(gè)Tq構(gòu)成、每個(gè)段又由多少個(gè)Tq構(gòu)成等，可以任意設(shè)定位時(shí)序。通過(guò)設(shè)定位時(shí)序，多個(gè)單元可同時(shí)采樣，也可任意設(shè)定采樣點(diǎn)。各段的作用和Tq數(shù)如下表所示。

18.1.4 總線仲裁

在總線空閑態(tài)，最先開(kāi)始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。當(dāng)多個(gè)單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送時(shí)，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開(kāi)始進(jìn)行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平最多的單元可繼續(xù)發(fā)送。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖所示。

單元1和單元2同時(shí)開(kāi)始向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，開(kāi)始部分他們的數(shù)據(jù)格式是一樣的，故無(wú)法區(qū)分優(yōu)先級(jí)，直到T時(shí)刻，單元1輸出隱性電平，而單元2輸出顯性電平，此時(shí)單元1仲裁失利，立刻轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)工作，不再與單元2競(jìng)爭(zhēng)，而單元2則順利獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。這就實(shí)現(xiàn)了仲裁，讓連續(xù)發(fā)送顯性電平多的單元獲得總線使用權(quán)

18.1.5 STM32 CAN模組簡(jiǎn)介

STM32F1系列自帶的是基本擴(kuò)展CAN，支持CAN協(xié)議的2.0A和2.0B，支持報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)要求可軟件配置，最大通信速率1Mbps，3個(gè)發(fā)送郵箱和3級(jí)深度的2個(gè)接收緩存器FIFO，28個(gè)可變的濾波器組，STM32的CAN模組結(jié)構(gòu)如下圖所示。

從上面結(jié)構(gòu)可以看出，兩個(gè)CAN都分別具備自己的發(fā)送與接收郵箱，但是28個(gè)濾波器卻是公用的，通過(guò)FMR寄存器可以設(shè)置濾波器的分配方式，STM32的每個(gè)濾波器組的位寬都可以獨(dú)立配置，根據(jù)位寬的不同，每個(gè)濾波器組可以提供

（1）1個(gè)32位過(guò)濾器：包含STDID[10:0]，EXTID[17:0]，18位擴(kuò)展ID，IDE和RTR位

（2）1個(gè)16位過(guò)濾器：包含STDID[10:0]，IDE，RTR和EXTID[17:15]

此外過(guò)濾器可以配置為屏蔽位模式與標(biāo)識(shí)符列表模式。

（1）在屏蔽位模式下，標(biāo)識(shí)符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報(bào)文標(biāo)識(shí)符的任何一位，應(yīng)該按照“必須匹配”或“不用關(guān)心”處理

（2）標(biāo)識(shí)符列表模式下，屏蔽寄存器也被當(dāng)作標(biāo)識(shí)符寄存器用。因此，不是采用一個(gè)標(biāo)識(shí)符加一個(gè)屏蔽位的方式，而是使用2個(gè)標(biāo)識(shí)符寄存器。接收?qǐng)?bào)文標(biāo)識(shí)符的每一位都必須跟過(guò)濾器標(biāo)識(shí)符相同。

18.1.6 CAN的發(fā)送流程

第1步：程序選擇1個(gè)空置的郵箱（TME=1），設(shè)置標(biāo)識(shí)符（ID），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和發(fā)送數(shù)據(jù)

第2步：設(shè)置CAN_TIxR的TXRQ位為1，請(qǐng)求發(fā)送

第3步：郵箱掛號(hào)（等待成為最高優(yōu)先級(jí)）?

第4步：預(yù)定發(fā)送（等待總線空閑）

第5步：發(fā)送

第6步：郵箱空置

整個(gè)發(fā)送流程如下圖所示。

18.1.7 CAN的接收流程

CAN接收到的有效報(bào)文，被存儲(chǔ)在3級(jí)郵箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬件來(lái)管理，從而節(jié)省了CPU的處理負(fù)荷，簡(jiǎn)化了軟件并保證了數(shù)據(jù)的一致性。應(yīng)用程序只能通過(guò)讀取FIFO輸出郵箱，來(lái)讀取FIFO中最先收到的報(bào)文。這里的有效報(bào)文是指那些正確被接收的（直到EOF都沒(méi)有錯(cuò)誤）且通過(guò)了標(biāo)識(shí)符過(guò)濾的報(bào)文。前面我們知道CAN的接收有2個(gè)FIFO，我們每個(gè)濾波器組都可以設(shè)置其關(guān)聯(lián)的FIFO，通過(guò)CAN_FFA1R的設(shè)置，可以將濾波器組關(guān)聯(lián)到FIFO0/FIFO1。CAN接收流程為：

FIFO空->收到有效報(bào)文->掛號(hào)1（存入FIFO的一個(gè)郵箱，這個(gè)由硬件控制，我們不需要理會(huì)）->收到有效報(bào)文->掛號(hào)2->收到有效報(bào)文->掛號(hào)3->收到有效報(bào)文->溢出

這個(gè)流程里面，我們沒(méi)有考慮從FIFO讀出報(bào)文的情況，實(shí)際情況是：我們必須在FIFO溢出之前，讀出至少1個(gè)報(bào)文，否則下個(gè)報(bào)文到來(lái)，將導(dǎo)致FIFO溢出，從而出現(xiàn)報(bào)文丟失。每讀出1個(gè)報(bào)文，相應(yīng)的掛號(hào)就減1，直到FIFO空，完整的接收流程圖如下圖所示。

FIFO接收到的報(bào)文數(shù)，我們可以通過(guò)查詢CAN_RFxR的FMP寄存器來(lái)得到，只要FMP不為0，我們就可以從FIFO讀出收到的報(bào)文。

18.1.8 通信速率計(jì)算

根據(jù)通信參數(shù)小節(jié)我們可以知道1個(gè)位是由4個(gè)段組成，分別為同步段（SS），傳播時(shí)間段（PTS），相位緩沖段1（PBS1），相位緩沖段2（PBS2），STM32內(nèi)部將傳播時(shí)間段與相位緩沖段1合并為時(shí)間段1，這樣1個(gè)位就是有3個(gè)段組成，即同步段SS，時(shí)間段1和時(shí)間段2（即相位緩沖段），由于波特率的定義是1秒內(nèi)發(fā)送二進(jìn)制位的個(gè)數(shù)，所以，CAN波特率的計(jì)算公式為

18.1.9 STM32F1系列CAN測(cè)試模式

（1）靜默模式

通過(guò)對(duì)CAN_BTR寄存器的SILM位置1，來(lái)選擇靜默模式。在靜默模式下，CAN可以正常地接收數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，但只能發(fā)出隱性位，而不能真正發(fā)送報(bào)文。如果bxCAN需要發(fā)出顯性位（確認(rèn)位、過(guò)載標(biāo)志、主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志），那么這樣的顯性位在內(nèi)部被接回來(lái)從而可以被CAN內(nèi)核檢測(cè)到，同時(shí)CAN總線不會(huì)受到影響而仍然維持在隱性位狀態(tài)。因此，靜默模式通常用于分析CAN總線的活動(dòng)，而不會(huì)對(duì)總線造成影響－顯性位（確認(rèn)位、錯(cuò)誤幀）不會(huì)真正發(fā)送到總線上，靜默模式等效圖如下圖所示。

（2）環(huán)回模式

通過(guò)對(duì)CAN_BTR寄存器的LBKM位置1，來(lái)選擇環(huán)回模式。在環(huán)回模式下，CAN把發(fā)送的報(bào)文當(dāng)作接收的報(bào)文并保存（如果可以通過(guò)接收過(guò)濾）在接收郵箱里，環(huán)回模式等效圖如下圖所示。

（3）環(huán)回靜默模式

該模式可用于“熱自測(cè)試”，即可以像環(huán)回模式那樣測(cè)試CAN，但卻不會(huì)影響CANTX和CANRX所連接的整個(gè)CAN系統(tǒng)。在環(huán)回靜默模式下，CANRX引腳與CAN總線斷開(kāi)，同時(shí)CANTX引腳被驅(qū)動(dòng)到隱性位狀態(tài)，環(huán)回靜默模式等效圖如下圖所示。