CAN协议基础知识

    I2C.SPI总线多用于短距离传输,协议简单,数据量少,主要用于IC之间的通讯,而 CAN 总线则不同，CAN(Controller Area Network) 总线定义了更为优秀的物理层、数据链路层，并且拥有种类丰富、简繁不一的上层协议。与I2C、SPI有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，只具有CAN_High和CAN_Low两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。

1 G" k  K; Q. f, i0 z) y# g

    CAN物理层的形式主要分为闭环总线及开环总线网络两种，一个适合于高速通讯，一个适合于远距离通讯。CAN闭环通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离网络，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个

“120欧”的电阻。来做阻抗匹配，以减少回波反射。

闭环总线网络

    CAN开环总线网络是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离网络，它的最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2千欧”的电阻

开环总线网络

( y2 M* r2 W' l

    CAN总线上可以挂载多个通讯节点，节点之间的信号经过总线传输，实现节点间通讯。由于CAN通讯协议不对节点进行地址编码，而是对数据内容进行编码，所以网络中的节点个数理论上不受限制，只要总线的负载足够即可，可以通过中继器增强负载。

3 f# C! ~% `! k' a

    CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成，控制器与收发器之间通过CAN_Tx及CAN_Rx信号线相连，收发器与CAN总线之间使用CAN_High及CAN_Low信号线相连。其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的类似TTL逻辑信号，而CAN_High及CAN_Low是一对差分信号线，使用比较特别的差分信号。当CAN节点需要发送数据时，控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx线发送到收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High和CAN_Low线输出到CAN总线网络。而通过收发器接收总线上的数据到控制器时，则是相反的过程，收发器把总线上收到的CAN_High及CAN_Low信号转化成普通的逻辑电平信号，通过CAN_Rx输出到控制器中。

. ^. D; s. P% J; U2 Z8 ~5 m' _. [. d) B

差分信号

. ?# J8 i$ n+ n+ r; M2 y

    差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1。相对于单信号线传输的方式，使用差分信号传输具有如下优点：

• 抗干扰能力强，当外界存在噪声干扰时，几乎会同时耦合到两条信号线上，而接收端只关心两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

• 能有效抑制它对外部的电磁干扰，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

• 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

• 由于差分信号线具有这些优点，所以在USB协议、485协议、以太网协议及CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

CAN协议中的差分信号

1 x2 G/ t) ~8 f# A4 e

    CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定。以高速CAN协议为例，当表示逻辑1时(隐性电平)，CAN_High和CAN_Low线上的电压均为2.5v，即它们的电压差V H -V L =0V；而表示逻辑0时(显性电平)，CAN_High的电平为3.5V，CAN_Low线的电平为1.5V，即它们的电压差为V H -V L =2V。

! a" H- e; h+ [( k. J* D

CAN 总线的特点

　　CAN 总线网络是一种真正的多主机网络，在总线处于空闲状态时，任何一个节点单元都可以申请成为主机，向总线发送消息。其原则是：最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权；多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时，将发生仲裁事件，具有高优先级的节点单元将获得总线控制权。

　　CAN 协议中，所有的消息都以固定的数据格式打包发送。两个以上的节点单元同时发送信息时，根据节点标识符（常称为 ID，亦打包在固定的数据格式中）决定各自优先级关系，所以 ID 并非表示数据发送的目的地址，而是代表着各个节点访问总线的优先级。如此看来，CAN 总线并无类似其他总线“地址”的概念，在总线上增加节点单元时，连接在总线的其他节点单元的软硬件都不需要改变。

　　CAN 总线的通信速率和总线长度有关，在总线长度小于 40m 的场合中，数据传输速率可以达到 1Mbps，而即便总线长度上升至 1000m，数据的传输速率仍可达到 50Kbps，无论在速率还是传输距离都明显优于常见的 RS232、RS485 和 I2C 总线。

　　对于总线错误，CAN 总线有错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能三种应对措施，分别应对于下面三点表述：所有的单元节点都可以自动检测总线上的错误；检测出错误的节点单元会立刻将错误通知给其他节点单元；若正在发送消息的单元检测到当前总线发生错误，则立刻强制取消当前发送，并不断反复发送此消息至成功为止。

　　CAN 总线上的每个节点都可以通过判断得出，当前总线上的错误时暂时的错误（如瞬间的强干扰）还是持续的错误（如总线断裂）。当总线上发生持续错误时，引起故障的节点单元会自动脱离总线。

　　CAN 总线上的节点数量在理论上没有上限，但在实际上收到总线上的时间延时及电气负载的限制。降低最大通信速率，可以增加节点单元的连接数；反之，减少节点单元的连接数，则最大通信速率可以提高。

( h0 e( g9 V. o+ \9 ]

　　CAN总线的数据通信是以数据帧的格式进行的,而数据帧又是由位场组成的,其中每一个位又被划分为四段.即SS(SYNC SEG),PTS(PROP SEG--传播时间段),PBS1(PHASE SEG1--相位缓冲段1),PBS2(PHASE SEG1--相位缓冲段2).

3 T& J+ z1 f8 x! k/ f' e

数据帧的结构图：

    图中D表示显性电平，R表示隐形电平.
  g/ q, t; L5 w

( L8 C+ Z& t% I0 }

ID：高位在前，低位在后。

8 \! l& _& ~+ L) n9 p( L& |! f* D) c4 q

基本ID，禁止高7位都为隐性，即不能：ID=1111111XXXX。

RTR，远程请求位。0，数据帧；1， 远程帧；

* Q, `% U. b9 b. @

SRR，替代远程请求位。设置为1（隐性电平）；

IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符；

( S& q: r+ O+ W6 o8 \

r0，r1：保留位。必须以显现电平发送，但是接收可以是隐性电平。

DLC：数据长度码。0~8，表示发送/接收的数据长度（字节）。

IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符；

7 c1 B( ~/ w! M7 R% C. [, _, d. R

位时序分解

    为了实现位同步，CAN协议把每一个数据位的时序分解成SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq，而一个完整的位由8~25个Tq组成。

3 q2 _7 \' Q( g

STM32中的CAN接口

% L, M1 M7 [  L0 {3 j

    STM32的芯片中具有bxCAN控制器 (Basic Extended CAN)，它支持CAN协议2.0A和2.0B标准。该CAN控制器支持最高的通讯速率为1Mb/s；可以自动地接收和发送CAN报文，支持使用标准ID和扩展ID的报文；外设中具有3个发送邮箱，发送报文的优先级可以使用软件控制，还可以记录发送的时间；具有2个3级深度的接收FIFO，可使用过滤功能只接收或不接收某些ID号的报文；可配置成自动重发；不支持使用DMA进行数据收发。

( F0 G) T9 p# m; z0 }6 z

1. CAN控制内核

2.CAN发送邮箱

3.CAN接收FIFO

4.验收筛选器

0 ^; Q4 V4 U$ U* i/ j/ G

    STM32的有两组CAN控制器，其中CAN1是主设备，框图中的“存储访问控制器”是由CAN1控制的，CAN2无法直接访问存储区域，所以使用CAN2的时候必须使能CAN1外设的时钟。

    STM32至少配备一个bxCAN(basic extend can )控制器,支持2.0A和2.0B协议,最高数据传输速率可达1M bps,支持11位标准帧格式和29位扩展帧格式的接收和发送,具备三个发送邮箱和两个接收FIFO,此wa此外还有三级可编程滤波器,STM32的bxCAN非常适应CAN总线网络y网络应用发展需求,其主要主要特征如下 :

• 支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式
  4 |, S! h, y! G
• 波特率最高可达1Mbps
• 支持时间触发通讯功能
  4 _  u! l! _* A2 {
  
  
  5 z: I* k6 b% A

, R1 X9 ?. e7 L" l: R

    数据发送特性:具备三个发送邮箱;发送报文的优先级可以通过软件配置,可记录发送时间的时间戳。

* Y7 h+ z. T; y; j' b# f0 U. J

    数据接收特性:具备三级深度和两个接收FIFO;具备可变的过滤器组,具备可编程标识符列表,可配置FIFO溢出处理方式,记录接收时间的时间戳

$ a5 E; t: F2 `

    报文管理:中断可屏蔽;邮箱单独占有一块地址空间,便于提高软件效率.

+ U" s: F  Q( t5 M0 e

    本文的实验设计将利用STM32 的bxCAN控制器的环回工作模式,实现bxCAN控制器的自收发过程,并使用串口设备跟踪监视数据收发情况.

程序流程如下图

    本程序设计主要围绕bxCAN控制器的初始化初始化配置展开,其要点罗列如下:

. n7 @- e  E- A6 f

1.初始化RCC寄存器,配置PLL输出72MHZ时钟,APB1总线频率为36MHZ,分别打开CAN,GPIO和USART1的设备时钟.

2.设置CAN的Tx引脚(即PA12)为复用推挽模式,并设置Rx引脚(即PA1)为上拉输入模式,其中三个

重要的参数如下配置

1. CAN_InitStructure.CAN_SJW配置为CAN_SJW_1tq;
   
2. CAN_InitStructure.CAN_BS1配置为CAN_BS1_8tq;
   
3. CAN_InitStructure.CAN_BS2配置为CAN_BS2_7tq;

复制代码

3.最后分频数配置为5,配置接受接受缓冲区标识符为0x00AA0000,配置过滤器为32位屏蔽位模式,过滤器屏蔽标识符为0x00FF0000.

4.初始化USART设备

$ ]* ]- F  ?& d8 Z1 i

5.使用扩展帧shu帧数据格式,ID为0xAA,数据长度长度为8

; `! Q; V# [  `% K7 T9 s

    STM32的CAN控制器设计的重点集中在CAN寄存器组的初始化过程中,而CAN初始化的重点在于波特率的设置,过滤器的设置和位时序的设置,以下作详细叙述。

1.CAN波特率的计算

' c1 b1 @* b% Y$ V1 a

    计算波特率是任何一种总线的zhon重要内容之一,CAN总线也不例外.从STM32微控制器的官方参考手册里可以查找到关于CAN波特率的计算公式如下.

    通过配置位时序寄存器CAN_BTR的TS1[3:0]及TS2[2:0]寄存器位设定BS1及BS2段的长度后，就可以确定每个CAN数据位的时间：

BS1段时间：

T S1 =Tq x (TS1[3:0] + 1)，

BS2段时间：

T S2 = Tq x (TS2[2:0] + 1)，

一个数据位的时间：

T 1bit =1Tq+T S1 +T S2 =1+ (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)= N Tq

    其中单个时间片的长度Tq与CAN外设的所挂载的时钟总线及分频器配置有关，CAN1和CAN2外设都是挂载在APB1总线上的，而位时序寄存器CAN_BTR中的BRP[9:0]寄存器位可以设置CAN外设时钟的分频值 ，所以：

Tq = (BRP[9:0]+1) x T PCLK

    其中的PCLK指APB1时钟，默认值为36MHz。最终可以计算出CAN通讯的波特率：

BaudRate = 1/N Tq

    程序设计要点中强调的三个重要参数，其实是can总线物理层中所要求的位时序。共三个阶段，分别为SJW，BS1和BS2阶段，这三个阶段的时间长度都是以长度为tq的时间单元为单位的。这样可以逐步计算出CAN总线的波特率。因此要点提示中所要求的参数，实际上将CAN的波特率设置为450kdps。

4 N9 R2 }! _  d4 ^

过滤器的设置

    can总线没有所谓地址的概念。总线上的每个报文都可以被各个节点接收。这是一种典型的广播式网络。在实际应用中。某个节点往往只希望接收到特定类型的数据, 这就要借助过滤器来实现。顾名思义,过滤器的作用就是把节点不希望接收到的数据过滤掉。只将希望接收到的数据给予通行。            stm32的CAN控制器，提供14个过滤器。可以设置为屏蔽模式和列表模式对can总线上的报文进行过滤。当节点希望接收到一种报文时。可以用屏蔽位模式对can总线上的报文进行过滤。反之，当节点希望接受到单一类型报文时。则应该配置为列表模式。本机程序中使用了32位的屏蔽位模式。下面仅对这种模式进行解析。can控制器的每个过滤器都具备一个寄存器。称为屏蔽寄存器。其中标识符寄存器的每一位都有屏蔽寄存器的每一位所对应。事实上，这也对应着can数据。事实上，这也对应着看标准数据帧中的标识符段。如下图所示。

# V1 k$ p+ C. n- H8 n

1 l# q. B7 n( c- X/ ]8 B$ z9 P5 g

    此处重点在于屏蔽寄存器的作用。通过查阅stm32微控制器参考文档可以知道。当过滤器工作在屏蔽模式下时。屏蔽寄存器被置为1的每一位都要求can接收到的数据帧标识符段必须和对应的接收缓冲区标识位相同。否则予以滤除。以本程序为例。要点中要求将节点接收缓冲标识符配置为0x00AA0000。过滤器屏蔽标识符为0x00FF0000。

% ^9 ?$ o- d) t+ C

    该节点接收到的数据帧的标识符段的位[23:16]，必须和接收缓冲区标识符中的[23:16]匹配。否则予以滤除。但若满足了这一条件而即便如下的位不匹配。则该数据帧仍不会被滤除。正如本程序而言。即can接口仅仅接收标识符段的位[23:16]为0xAA的数据帧.

9 |% y- x/ b  t2 z/ E) ?, d

    根据can总线物理层的要求。can总线的波特率和传输距离成反比关系。传输距离变化时，要根据位时序来调整can总线的波特率。

程序代码如下:

1. 
   
2. void RCC_Config(void)
   & m4 b2 T  P7 b& {9 a/ p
3. {
   $ D$ [. v+ o+ |7 O* J8 C
4. 
   - A8 S) b- _2 s, f! S' a
5. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE)
   : E) A8 L( t+ _6 _
6. 
   , l/ m/ q0 [2 B% n: k8 ~7 S
7. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE)
   ! y7 F5 I; u; |8 R$ D
8. 
   6 R3 y' G, E; E+ ]
9. }
   0 r5 C/ O7 [, t7 F  B, N
10. void GPIO_for_can_and_uart_Config(void)
    6 j  t( d3 j* j
11. {
    ) c1 ]) H& d- ?  I( s( A  t
12. /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
    
13. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
14. 
    
15. 
    
16. /*设置can的RX--pa.11引脚*/
    / ^1 N6 G  F4 M* k
17. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
    3 D" X9 x0 \: d  @* L. K
18. 
    ! s7 ^+ l2 ^% \
19. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    4 m$ _: b. |6 }2 |
20. 
    
21. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
22. 
    / [/ Y" z) \% R5 S- }
23. /*设置can的TX--pa.12引脚*/
    
24. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    2 S8 F& z/ d4 Y+ ~
25. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    # J  t- F8 t' ?- V/ N
26. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;
    
27. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    + g2 g7 u7 n$ Z5 N7 v
28. /*设置usart1 的RX 脚 -PA.10为父浮空输入脚*/
    4 p$ p0 Z7 B3 M5 O9 ^9 K6 N' u
29. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    
30. 
    
31. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    
32. 
    6 A4 k+ a2 |' k0 _
33. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
34. 
    " `7 ^) w% r' {$ q& x0 h5 T7 v
35. 
    
36. 
    
37. 
    
38. }
    " l% l. b+ e3 a9 t6 O+ z
39. 
    
40. void Can_Config(void)
    
41. {
    
42. CAN_InitTypeDef          CAN_InitStructure;
    
43. CAN_FilterInitTypeDef  CAN_FilterInitStructure;
    
44. 
    
45. CAN_DeInit(CAN1);
    2 R+ p- H$ s7 W
46. 
    7 d6 r( F7 `( b
47. CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);
    
48. CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;
    
49. CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;
    
50. CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;
    ! n" k' G, r- L# e
51. CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;
    
52. CAN_InitStructure.CAN_RFIM=DISABLE;
    
53. CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;
    
54. 
    & ^6 z8 z  M! Q- B
55. CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_LoopBack;
    
56. CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;
    
57. CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq;
    5 \  w5 d! k( l, V
58. CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_7tq;
    
59. 
    
60. CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=5;
    
61. CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);
    
62. 
    % Q$ F- M! H  d2 i5 O3 H; K# Z
63. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;
    * L9 f6 j* f( m
64. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;
    % j) P% _% s4 H/ R+ }
65. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;
    
66. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x00AA<<3;
    
67. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0x0000;
    
68. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x00FF<<3;
    
69. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0x0000;
    
70. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=0;
    / C( A1 }& k& x0 l3 ?
71. CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;
    
72. CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
    7 O- f" Y9 X. x, S# u6 L: c! i
73. 
    
74. }
    
75. 
    
76. void main(void)
    
77. {
    
78. u8 TransmitMailbox=0;
    ! L2 P! K  l& x! c$ k6 n% x; P
79. CanTxMsg   TxMessage;
    8 ^( B; I4 ^  [+ Y1 W- D
80. CanRxMsg   RxMessage;
    & |" {, t% T0 ~6 V& M% E3 d6 P
81. RCC_Config();
    6 x6 Y+ q7 o% Z& I# U5 v
82. GPIO_for_can_and_uart_Config();
    % N7 M3 X' m* q( g! w" Y
83. USART_Config();
    2 J& L( v5 c6 k
84. Can_Config();
    
85. 
    2 K, H) E9 @1 W$ `
86. TxMessage.ExtId=0x00aa0000;
    1 }# {  H9 X1 R! @# ?8 X; T
87. TxMessage.RTR=CAN_RTR_Data;
    
88. TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;
    
89. TxMessage.DLC=8;
    ' ]7 b( }2 Y/ e! c9 a4 j/ h% S
90. TxMessage.Data[0]=0x00;
    
91. TxMessage.Data[1]=0x12;
    
92. TxMessage.Data[2]=0x34;
    
93. TxMessage.Data[3]=0x56;
    / p3 B: k. f* b3 j
94. TxMessage.Data[4]=0x78;
    2 J, `6 L6 u+ i& z3 @) T$ U
95. TxMessage.Data[5]=0xab;
    
96. TxMessage.Data[6]=0xcd;
    
97. TxMessage.Data[7]=0xef;
    
98. 
    
99. TransmitMailbox=CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);
    ! g2 R' k( C, H4 h7 Y
100. while((CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox))!=CANTXOK);
     3 E; s7 F) c4 L
101. printf("rnThe CAN has send data :0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,rn",
     
102. TxMessage.Data[0],TxMessage.Data[1],TxMessage.Data[2],TxMessage.Data[3],
     * s* B. C6 p6 L1 b: W0 R
103. TxMessage.Data[4],TxMessage.Data[5],TxMessage.Data[6],TxMessage.Data[7],);
       w1 d+ w. C+ x7 z7 j1 {+ q/ T
104. 
     
105. while((CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)==0));
     - m1 j7 `' z" S9 N- s
106. 
     
107. RxMessage.StdId=0x00;
     6 O$ ]1 Y9 X( z8 h- B( I
108. RxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;
     
109. RxMessage.DLC=0;
     
110. RxMessage.Data[0]=0x00;
     
111. RxMessage.Data[1]=0x12;
     ' c" U2 J; v4 y$ \: i+ w- g- o
112. RxMessage.Data[2]=0x34;
     
113. RxMessage.Data[3]=0x56;
       D/ ~, ^  K) i( K
114. RxMessage.Data[4]=0x78;
     
115. RxMessage.Data[5]=0xab;
     
116. RxMessage.Data[6]=0xcd;
     
117. RxMessage.Data[7]=0xef;
     
118. 
     
119. CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);
     
120. printf("rnThe CAN has received data :0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,rn",
     7 W" g7 P/ r) x) A. T
121. RxMessage.Data[0],RxMessage.Data[1],RxMessage.Data[2],RxMessage.Data[3],
     
122. RxMessage.Data[4],RxMessage.Data[5],RxMessage.Data[6],RxMessage.Data[7],);
     
123. while(1);
     1 p' o# b3 Z4 A) y
124. 
       Q3 ^: g* G; q
125. 
     
126. }
     ! M8 w9 X' o+ Z- Z, W0 A$ R$ Y' s

复制代码