[嵌入式]STM32 CAN通信协议详解—小白入门（二）

      2.1、闭环总线网络
      2.2、开环总线网络
      2.3、通信节点
      2.4、差分信号
      2.5、CAN协议的差分信号

（三）协议层

      3.1、CAN的波特率及位同步 
      3.2、位时序分解        
      3.3、通讯的波特率
      3.4、同步过程分析
      3.5、CAN的报文种类及结构
      3.5.1、报文的种类
      3.6、数据帧的结构
      3.7、其他数据帧的结构

（四）STM32的CAN外设简介

      4.1、控制内核
      4.1.1、主控制寄存器 CAN_MCR
      4.1.2、位时序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率
      4.2、CAN发送邮箱
      4.2.1、CAN接受FIFO
      4.3、验收筛选器
      4.4、整体逻辑控制

（五）CAN代码中的部分初始化代码

前言：因为CAN通信协议内容过多，我分为两节进行讲解，请结合STM32 CAN通信协议详解—小白入门（一）这一章阅读

（四）STM32的CAN外设简介
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。
图中是 STM32F105/107 系列互联型芯片的 CAN 外设架构图，图里具有 2 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。框图中主要包含 CAN 控制内核、发送邮箱、接收 FIFO 以及验收筛选器。我们实验板中使用的 STM32F103 系列芯片跟上述框图类似，但该系列只包含 1 组 CAN 控制器，即它们不包含图中标号的部分。
下面对框图中的各个部分进行介绍。

4.1、CAN的控制内核
框图中标号处的 CAN 控制内核包含了各种控制寄存器及状态寄存器，我们主要讲解其中的主控制寄存器 CAN_MCR 及位时序寄存器 CAN_BTR。

4.1.1、主控制寄存器 CAN_MCR
主控制寄存器 CAN_MCR 负责管理 CAN 的工作模式，它使用以下寄存器位实现控制。
(1) DBF 调试冻结功能
DBF(Debug freeze) 调试冻结，使用它可设置 CAN 处于工作状态或禁止收发的状态，禁止收发时仍可访问接收 FIFO 中的数据。这两种状态是当 STM32 芯片处于程序调试模式时才使用的，平时使用并不影响。
(2) TTCM 时间触发模式
TTCM(Time triggered communication mode) 时间触发模式，它用于配置 CAN 的时间触发通信模式，在此模式下，CAN 使用它内部定时器产生时间戳，并把它保存在CAN_RDTxR、CAN_TDTxR 寄存器中。内部定时器在每个 CAN 位时间累加，在接收和发送的帧起始位被采样，并生成时间戳。利用它可以实现 ISO 11898-4 CAN 标准的分时同步通信功能。
(3) ABOM 自动离线管理
ABOM (Automatic bus-off management) 自动离线管理，它用于设置是否使用自动离线管理功能。当节点检测到它发送错误或接收错误超过一定值时，会自动进入离线状态，在离线状态中，CAN 不能接收或发送报文。处于离线状态的时候，可以软件控制恢复或者直接使用这个自动离线管理功能，它会在适当的时候自动恢复。
(4) AWUM 自动唤醒
AWUM (Automatic bus-off management)，自动唤醒功能，CAN 外设可以使用软件进入低功耗的睡眠模式，如果使能了这个自动唤醒功能，当 CAN 检测到总线活动的时候，会自动唤醒。
(5) NART 自动重传
NART(No automatic retransmission) 报文自动重传功能，设置这个功能后，当报文发送失败时会自动重传至成功为止。若不使用这个功能，无论发送结果如何，消息只发送一次。
(6) RFLM 锁定模式
RFLM(Receive FIFO locked mode)FIFO 锁定模式，该功能用于锁定接收 FIFO 。锁定后，当接收 FIFO 溢出时，会丢弃下一个接收的报文。若不锁定，则下一个接收到的报文会覆盖原报文。
(7) TXFP 报文发送优先级的判定方法
TXFP(Transmit FIFO priority) 报文发送优先级的判定方法，当 CAN 外设的发送邮箱中有多个待发送报文时，本功能可以控制它是根据报文的 ID 优先级还是报文存进邮箱的顺序来发送。

4.1.2、位时序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率
CAN 外设中的位时序寄存器 CAN_BTR 用于配置测试模式、波特率以及各种位内的段参数。
(1) 测试模式
为方便调试，STM32 的 CAN 提供了测试模式，配置位时序寄存器 CAN_BTR 的 SILM 及 LBKM寄存器位可以控制使用正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式，见下图。
各个工作模式介绍如下：
? 正常模式
正常模式下就是一个正常的 CAN 节点，可以向总线发送数据和接收数据。
? 静默模式
静默模式下，它自己的输出端的逻辑 0 数据会直接传输到它自己的输入端，逻辑 1 可以被发送到总线，所以它不能向总线发送显性位 (逻辑 0)，只能发送隐性位 (逻辑 1)。
输入端可以从总线接收内容。由于它只可发送的隐性位不会强制影响总线的状态，所以把它称为静默模式。这种模式一般用于监测，它可以用于分析总线上的流量，但又不会因为发送显性位而影响总线。
? 回环模式
回环模式下，它自己的输出端的所有内容都直接传输到自己的输入端，输出端的内容同时也会被传输到总线上，即也可使用总线监测它的发送内容。输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容。使用回环模式可以进行自检。（这个模式我们自己使用一个开发板就可以实现了）
? 回环静默模式
回环静默模式是以上两种模式的结合，自己的输出端的所有内容都直接传输到自己的输入端，并且不会向总线发送显性位影响总线，不能通过总线监测它的发送内容。输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容。这种方式可以在“热自检”时使用，即自我检查的时候，不会干扰总线。
以上说的各个模式，是不需要修改硬件接线的，例如，当输出直接连输入时，它是在 STM32 芯片内部连接的，传输路径不经过 STM32 的 CAN_Tx/Rx 引脚，更不经过外部连接的 CAN 收发器，只有输出数据到总线或从总线接收的情况下才会经过 CAN_Tx/Rx 引脚和收发器。

4.1.3、位时序及波特率
STM32 的 CAN 外设位时序中只包含 3 段，分别是同步段 SYNC_SEG、位段 BS1 及位段 BS2，采样点位于 BS1 及 BS2 段的交界处。其中 SYNC_SEG 段固定长度为 1Tq，而 BS1 及 BS2 段可以在位时序寄存器 CAN_BTR 设置它们的时间长度，它们可以在重新同步期间增长或缩短，该长度SJW 也可在位时序寄存器中配置。

理解 STM32 的 CAN 外设的位时序时，可以把它的 BS1 段理解为是由前面介绍的 CAN 标准协议中 PTS 段与 PBS1 段合在一起的，而 BS2 段就相当于 PBS2 段。了解位时序后，我们就可以配置波特率了。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，我们就可以确定每个 CAN 数据位的时间：
BS1 段时间：
TS1=Tq x (TS1[3:0] + 1)，
BS2 段时间：
TS2= Tq x (TS2[2:0] + 1)，
一个数据位的时间：
T1bit =1Tq+TS1+TS2 =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 TPCLK
其中的 PCLK 指 APB1 时钟，默认值为 42MHz。
最终可以计算出 CAN 通讯的波特率：
BaudRate = 1/N Tq
例如下表说明了一种把波特率配置为 1Mbps 的方式。

4.2、CAN 发送邮箱
回到图 24?5 中的 CAN 外设框图，在标号处的是 CAN 外设的发送邮箱，它一共有 3 个发送邮箱，即最多可以缓存 3 个待发送的报文。
每个发送邮箱中包含有标识符寄存器 CAN_TIxR、数据长度控制寄存器 CAN_TDTxR 及 2 个数据寄存器 CAN_TDLxR、CAN_TDHxR，它们的功能见下表。
当我们要使用 CAN 外设发送报文时，把报文的各个段分解，按位置写入到这些寄存器中，并对标识符寄存器 CAN_TIxR 中的发送请求寄存器位 TMIDxR_TXRQ 置 1，即可把数据发送出去。其中标识符寄存器 CAN_TIxR 中的 STDID 寄存器位比较特别。我们知道 CAN 的标准标识符的总位数为 11 位，而扩展标识符的总位数为 29 位的。当报文使用扩展标识符的时候，标识符寄存器 CAN_TIxR 中的 STDID[10:0] 等效于EXTID[18:28] 位，它与 EXTID[17:0] 共同组成完整的 29位扩展标识符。

4.2.1、CAN接受FIFO
图中的 CAN 外设框图，在标号处的是 CAN 外设的接收 FIFO，它一共有 2 个接收 FIFO，每个 FIFO 中有 3 个邮箱，即最多可以缓存 6 个接收到的报文。当接收到报文时，FIFO 的报文计数器会自增，而 STM32 内部读取 FIFO 数据之后，报文计数器会自减，我们通过状态寄存器可获知报文计数器的值，而通过前面主控制寄存器的 RFLM 位，可设置锁定模式，锁定模式下 FIFO溢出时会丢弃新报文，非锁定模式下 FIFO 溢出时新报文会覆盖旧报文。跟发送邮箱类似，每个接收 FIFO 中包含有标识符寄存器 CAN_RIxR、数据长度控制寄存器CAN_RDTxR 及 2 个数据寄存器 CAN_RDLxR、CAN_RDHxR，它们的功能见下表。
通过中断或状态寄存器知道接收 FIFO 有数据后，我们再读取这些寄存器的值即可把接收到的报文加载到 STM32 的内存中。

4.3、验收筛选器
图中筛选器的 4 种工作状态：
每组筛选器包含 2 个 32 位的寄存器，分别为 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2，它们用来存储要筛选的ID 或掩码，各个寄存器位代表的意义与图中两个寄存器下面“映射”的一栏一致，各个模式的说明见下表。
例如下面的表格所示，在掩码模式时，第一个寄存器存储要筛选的 ID，第二个寄存器存储掩码，掩码为 1 的部分表示该位必须与 ID 中的内容一致，筛选的结果为表中第三行的 ID 值，它是一组包含多个的 ID 值，其中 x 表示该位可以为 1 可以为 0。

而工作在标识符模式时，2 个寄存器存储的都是要筛选的 ID，它只包含 2 个要筛选的 ID 值 (32位模式时)。如果使能了筛选器，且报文的 ID 与所有筛选器的配置都不匹配，CAN 外设会丢弃该报文，不存入接收 FIFO。

4.4、整体逻辑控制
回到结构框图，图中的标号处表示的是 CAN2 外设的结构，它与 CAN1 外设是一样的，他们共用筛选器且由于存储访问控制器由 CAN1 控制，所以要使用 CAN2 的时候必须要使能 CAN1的时钟。其中 STM32F103 系列芯片不具有 CAN2 控制器。

（五）CAN代码中的部分初始化代码
完整代码：（基于STM32F103ZET6）
（CAN回环模式实验）
链接： https://pan.baidu.com/s/1Im7SKKMvEBpEyqlkwFmWcg
提取码：errn
（CAN双机实验）
链接： https://pan.baidu.com/s/1gC63c1dgYfIj9isPE5oUFg
提取码：xd65

/*
 * 函数名：CAN_GPIO_Config
 * 描述  ：CAN的GPIO 配置
 * 输入  ：无
 * 输出  : 无
 * 调用  ：内部调用
 */
static void CAN_GPIO_Config(void)
{
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   	

  /* Enable GPIO clock */
  RCC_APB2PeriphClockCmd(CAN_TX_GPIO_CLK|CAN_RX_GPIO_CLK, ENABLE);
	//重映射引脚
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap1_CAN1, ENABLE);

	 /* Configure CAN TX pins */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = CAN_TX_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;		         // 复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(CAN_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* Configure CAN RX  pins */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = CAN_RX_PIN ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	             // 上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init(CAN_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
  
}
/*
 * 函数名：CAN_NVIC_Config
 * 描述  ：CAN的NVIC 配置,第1优先级组，0，0优先级
 * 输入  ：无
 * 输出  : 无
 * 调用  ：内部调用
 */
static void CAN_NVIC_Config(void)
{
   	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
		/* Configure one bit for preemption priority */
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
	 	/*中断设置*/
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = CAN_RX_IRQ;	   //CAN1 RX0中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;		   //抢占优先级0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;			   //子优先级为0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
/*
 * 函数名：CAN_Mode_Config
 * 描述  ：CAN的模式 配置
 * 输入  ：无
 * 输出  : 无
 * 调用  ：内部调用
 */
static void CAN_Mode_Config(void)
{
	CAN_InitTypeDef        CAN_InitStructure;
	/************************CAN通信参数设置**********************************/
	/* Enable CAN clock */
  RCC_APB1PeriphClockCmd(CAN_CLK, ENABLE);

	/*CAN寄存器初始化*/
	CAN_DeInit(CANx);
	CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);

	/*CAN单元初始化*/
	CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;			   //MCR-TTCM  关闭时间触发通信模式使能
	CAN_InitStructure.CAN_ABOM=ENABLE;			   //MCR-ABOM  自动离线管理 
	CAN_InitStructure.CAN_AWUM=ENABLE;			   //MCR-AWUM  使用自动唤醒模式
	CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;			   //MCR-NART  禁止报文自动重传	  DISABLE-自动重传
	CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;			   //MCR-RFLM  接收FIFO 锁定模式  DISABLE-溢出时新报文会覆盖原有报文  
	CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;			   //MCR-TXFP  发送FIFO优先级 DISABLE-优先级取决于报文标示符 
	CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal;  //正常工作模式
	CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_2tq;		   //BTR-SJW 重新同步跳跃宽度 2个时间单元
	 
	/* ss=1 bs1=5 bs2=3 位时间宽度为(1+5+3) 波特率即为时钟周期tq*(1+3+5)  */
	CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_5tq;		   //BTR-TS1 时间段1 占用了5个时间单元
	CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_3tq;		   //BTR-TS1 时间段2 占用了3个时间单元	
	
	/* CAN Baudrate = 1 MBps (1MBps已为stm32的CAN最高速率) (CAN 时钟频率为 APB1 = 36 MHz) */
	CAN_InitStructure.CAN_Prescaler =4;		   BTR-BRP 波特率分频器  定义了时间单元的时间长度 36/(1+5+3)/4=1 Mbps
	CAN_Init(CANx, &CAN_InitStructure);
}
/*
 * 函数名：CAN_Filter_Config
 * 描述  ：CAN的过滤器 配置
 * 输入  ：无
 * 输出  : 无
 * 调用  ：内部调用
 */
static void CAN_Filter_Config(void)
{
	CAN_FilterInitTypeDef  CAN_FilterInitStructure;

	/*CAN筛选器初始化*/
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;						//筛选器组0
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;	//工作在掩码模式
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;	//筛选器位宽为单个32位。
	/* 使能筛选器，按照标志的内容进行比对筛选，扩展ID不是如下的就抛弃掉，是的话，会存入FIFO0。 */

	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh= ((((u32)0x1314<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0xFFFF0000)>>16;		//要筛选的ID高位 
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow= (((u32)0x1314<<3)|CAN_ID_EXT|CAN_RTR_DATA)&0xFFFF; //要筛选的ID低位 
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh= 0xFFFF;			//筛选器高16位每位必须匹配
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow= 0xFFFF;			//筛选器低16位每位必须匹配
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_Filter_FIFO0 ;				//筛选器被关联到FIFO0
	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;			//使能筛选器
	CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
	/*CAN通信中断使能*/
	CAN_ITConfig(CANx, CAN_IT_FMP0, ENABLE);
}