【经验分享】STM32的CAN总线的基本原理及实现过程

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STMCU小助手发布时间：2022-5-16 11:26

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文章简介:	STM32的CAN总线的基本原理及实现过程

1、什么是CAN
CAN是Controller Area Network 的缩写（简称称CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。由德国电气商博世公司在1986 年率先提出。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。ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准，而ISO11519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

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。具有很高的可靠性，广泛应用于：汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

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2、CAN协议的特点
      ①多主控制。

      ②系统柔软性。

      ③ 速度快，距离远。

      ④ 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。

      ⑤ 故障封闭功能。

      ⑥连接节点多。

3、ISO11898标准下的物理层特征
      CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H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。

      显性电平对应逻辑：0，CAN_H和CAN_L之差为2.5V左右。

      隐性电平对应逻辑：1，CAN_H和CAN_L之差为0V。

      显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。另外，在CAN总线的起止端都有一个120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射。

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4、CAN 协议的5 种类型帧

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其中，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。

标准格式有11 个位的标识符（ID），扩展格式有29 个位的ID 。

其中，最常用，也是最复杂的是数据帧，接着就看看数据帧：

数据帧一般由 7 个段构成

（1）帧起始。表示数据帧开始的段。
（2）仲裁段。表示该帧优先级的段。
（3）控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
（4）数据段。数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据。
（5） CRC 段。检查帧的传输错误的段。
（6） ACK 段。表示确认正常接收的段。
（7）帧结束。表示数据帧结束的段。

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4.1、总线仲裁介绍
同时多个单元发送数据时，总线仲裁过程：

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      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.

      规律：

            1，总线空闲时，最先发送的单元获得发送优先权，一但发送，其他单元无法抢占。

            2，如果有多个单元同时发送，则连续输出显性电平多的单元，具有较高优先级。

4.2、位时序
   位速率：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。一个位一般可以分为如下四段：

         同步段（SS）
         传播时间段（PTS）
         相位缓冲段 1（PBS1）
         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。

   位时间=1/波特率，因此，知道位时间，我们就可以知道波特率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 数如表所示：

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1 个位的构成如图所示：

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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。图中采样时间加大或减少量的最大值就是SJW。

5、STM32 CAN控制器简介
   STM32F4 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。
STM32F4 的 bxCAN 的主要特点有：
      ①支持 CAN 协议 2.0A 和 2.0B 主动模式
      ②波特率最高达 1Mbps
      ③支持时间触发通信
      ④具有 3 个发送邮箱
      ⑤具有 3 级深度的 2 个接收 FIFO
      ⑥可变的过滤器组（28 个， CAN1 和 CAN2 共享）

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5.1、标识符筛选器
CAN的标识符不表示目的地址而是表示发送优先级。接收节点根据标识符的值，来决定是否接收对应消息。
STM32 CAN控制器，提供了28个可配置的筛选器组（F1仅互联型才有28个，其他的只有14个），可降低CPU处理CAN通信的开销。
STM32 CAN控制器每个筛选器组由2个32位寄存器组成（CAN_FxR1和CAN_FxR2，x=0~27）。根据位宽不同，每个筛选器组可提供：
               ● 1个32位筛选器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位

               ● 2个16位筛选器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

   4.筛选器可配置为：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筛选器标识符相同。

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为了过滤出一组标识符，应该设置筛选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。
应用程序不用的筛选器组，应该保持在禁用状态(通过CAN_FA1R设置)。
筛选器组中的每个筛选器，都被编号为(即：筛选器编号)从0开始，到某个最大数值－取决于筛选器组的模式和位宽的设置。
通过CAN_FFA1R的设置，可以将筛选器组关联到FIFO0/FIFO1
5.2、STM32 CAN模式
1）工作模式

   ①初始化模式（INRQ=1，SLEEP=0）

   ②正常模式（INRQ=0，SLEEP=0）

   ③睡眠模式（SLEEP=1）

2）测试模式

静默模式（ LBKM=0，SILM=1 ）

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环回模式（ LBKM=1，SILM=0 ）

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环回静默模式（LBKM=1，SILM=1）

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3）调试模式

5.3、STM32 CAN发送流程
   CAN发送流程为：

      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--->设置CAN_TIxR的TXRQ位为1，请求发送--->邮箱挂号（等待成为最高优先级）--->预定发送（等待总线空闲）--->发送--->邮箱空置。

      还包含了很多其他处理，终止发送（ABRQ=1）和发送失败处理等

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5.4、STM32 CAN接收流程
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，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）---->收到有效报文---->挂号_2---->收到有效报文---->挂号_3---->收到有效报文à溢出。

      CAN收到的有效报文，存储在3级邮箱深度的FIFO中。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。

      报文FIFO具有锁定功能(由CAN_MCR，RFLM位控制)，锁定后，新数据将丢弃，不锁定则新数据将替代老数据

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5.5、STM32 CAN位时序
STM32F4 把传播时间段和相位缓冲段 1（STM32F4 称之为时间段1）合并了，所以 STM32F4 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）。 STM32F4 的 BS1 段可以设置为 1~16 个时间单元，刚好等于CAN的传播时间段和相位缓冲段 1 之和。

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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 42Mhz），就可以方便的计算出波特率。

      比如：

               STM32F103，设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率=36000/[(9+8+1)*4]=500Kbps。

               STM32F407，设TS1=6、TS2=5、BRP=5，波特率=42000/[(7+6+1)*6]=500Kbps。

6、参考代码