STM32入门学习笔记之CAN通信实验1

18.1 CAN协议

18.1.1 协议概述

CAN是Controller Area Network的缩写，最初是专门用于汽车网络的通信协议，与485协议相似，CAN也是一种2线制，采用两根线的电压差进行数据传输的协议，随着CAN协议的高性能与可靠性被认同，现在被广泛运用在工业自动化，船舶等当面，目前最热门的国六标准，J1939通信协议就是以CAN协议为基础设计的。

CAN协议最远通信距离可达10km，与485相似，CAN也有两种电平，分别为显性电平与隐性电平，当CAN_H与CAN_L电压一致的时候为隐性电平，反之为显性电平。实际上隐性电平代表逻辑电平1，显性电平代表逻辑电平0，CAN在通信的时候，也需要在每个设备输出端并联1个120Ω的终端匹配电阻，用于进行阻抗匹配。

18.1.2 通信组成

CAN协议通过5种类型的帧进行数据通信：数据帧，遥控帧，错误帧，过载帧和间隔帧，其中数据帧与遥控帧具有标准格式与扩展格式两种，标准格式有11个位的标识符，扩展格式则有29个位的标识符，五种帧的功能如下所示。

（1）数据帧：用于实际数据传输

（2）遥控帧：用于接收端向具有相同ID的发送端请求数据

（3）错误帧：用于检测报错时通知其他设备

（4）过载帧：用于接收端通报尚未准备好接收准备

（5）间隔帧：用于将数据帧与遥控帧和前面的帧分割

完整的数据帧构成如下图所示。

数据帧一般由7段组成：

（1）帧起始：即数据帧开始的段，标准帧和扩展帧都是由1个位的显性电平表示帧起始

（2）仲裁段：表示该帧优先级，标准帧和扩展帧格式在这一段结构如下图所示。

其中RTR位用于标识是否是远程帧（0代表数据帧；1代表远程帧），IDE位为标识符选择位（0表示使用标准标识符；1表示使用扩展标识符），SRR位为代替远程请求位，为隐性位，代替了标准帧中的RTR位。

（3）控制段：表示数据的字节数即保留位，由6个位构成，表示数据段的字节数。标准帧和扩展帧的控制段结构如下图所示。

r0和r1为保留位，必须全部以显性电平发送，但是接收端可以接收显性、隐性及任意组合的电平。DLC段为数据长度表示段，高位在前，DLC段有效值为08，但是接收方接收到915的时候并不认为是错误。

（4）数据段：数据段内容，一段可以发送0~8个字节的数据，从最高位MSB开始输出

（5）CRC校验：CRC校验数据完整性

（6）应答段：表示正常接收

（7）帧结束：表示该帧结束

18.1.3 通信参数

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。

（1）同步段（SS）

（2）传播时间段（PTS）

（3）相位缓冲段1（PBS1）

（4）相位缓冲段2（PBS2）

这些段又由可称为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。各段的作用和Tq数如下表所示。

18.1.4 总线仲裁

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。实现过程如下图所示。

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

18.1.5 STM32 CAN模组简介

STM32F1系列自带的是基本扩展CAN，支持CAN协议的2.0A和2.0B，支持报文发送的优先级要求可软件配置，最大通信速率1Mbps，3个发送邮箱和3级深度的2个接收缓存器FIFO，28个可变的滤波器组，STM32的CAN模组结构如下图所示。

从上面结构可以看出，两个CAN都分别具备自己的发送与接收邮箱，但是28个滤波器却是公用的，通过FMR寄存器可以设置滤波器的分配方式，STM32的每个滤波器组的位宽都可以独立配置，根据位宽的不同，每个滤波器组可以提供

（1）1个32位过滤器：包含STDID[10:0]，EXTID[17:0]，18位扩展ID，IDE和RTR位

（2）1个16位过滤器：包含STDID[10:0]，IDE，RTR和EXTID[17:15]

此外过滤器可以配置为屏蔽位模式与标识符列表模式。

（1）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

（2）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。

18.1.6 CAN的发送流程

第1步：程序选择1个空置的邮箱（TME=1），设置标识符（ID），数据长度和发送数据

第2步：设置CAN_TIxR的TXRQ位为1，请求发送

第3步：邮箱挂号（等待成为最高优先级）

第4步：预定发送（等待总线空闲）

第5步：发送

第6步：邮箱空置

整个发送流程如下图所示。

18.1.7 CAN的接收流程

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->收到有效报文->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）->收到有效报文->挂号2->收到有效报文->挂号3->收到有效报文->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，完整的接收流程图如下图所示。

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。

18.1.8 通信速率计算

根据通信参数小节我们可以知道1个位是由4个段组成，分别为同步段（SS），传播时间段（PTS），相位缓冲段1（PBS1），相位缓冲段2（PBS2），STM32内部将传播时间段与相位缓冲段1合并为时间段1，这样1个位就是有3个段组成，即同步段SS，时间段1和时间段2（即相位缓冲段），由于波特率的定义是1秒内发送二进制位的个数，所以，CAN波特率的计算公式为

18.1.9 STM32F1系列CAN测试模式

（1）静默模式

通过对CAN_BTR寄存器的SILM位置1，来选择静默模式。在静默模式下，CAN可以正常地接收数据帧和远程帧，但只能发出隐性位，而不能真正发送报文。如果bxCAN需要发出显性位（确认位、过载标志、主动错误标志），那么这样的显性位在内部被接回来从而可以被CAN内核检测到，同时CAN总线不会受到影响而仍然维持在隐性位状态。因此，静默模式通常用于分析CAN总线的活动，而不会对总线造成影响－显性位（确认位、错误帧）不会真正发送到总线上，静默模式等效图如下图所示。

（2）环回模式

通过对CAN_BTR寄存器的LBKM位置1，来选择环回模式。在环回模式下，CAN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，环回模式等效图如下图所示。

（3）环回静默模式

该模式可用于“热自测试”，即可以像环回模式那样测试CAN，但却不会影响CANTX和CANRX所连接的整个CAN系统。在环回静默模式下，CANRX引脚与CAN总线断开，同时CANTX引脚被驱动到隐性位状态，环回静默模式等效图如下图所示。