[嵌入式]Stm32之CAN通信(2021-08-13)

Stm32之CAN通信

1.CAN*（Controller Area Network）*协议简介

1)协议种类及特点：

• 高速协议：ISO11898(125k~1Mbps);低速协议：ISO11519-2（125Kbps以下）。
• 特点：
  • 多主控制（每个单元都可发送消息， 每个单元发送消息时，都会发送一个ID（不是地址，而是作为接收时的优先级顺序，0多且0比较靠高位的，优先级高）优先级高的继续，优先级的将被打断，等待高优先级发送完再发送 每个单元在接收时，可以通过对ID进行识别，判断自己是否要接收）
  • 系统柔软性：每个设备没有绑定的地址，所以可以随时添加设备单元；
  • 速度快，距离远：1Mbps(<40m),10km(<5Kbps)
  • 错误检测/通知/恢复功能；
  • 故障单元自动隔离功能；
  • 可连接的节点多；

2）物理层特征：

3）协议层简介：（均为MSB）

• 5种帧类型：

• 每个数据帧都由7个段组成：帧起始，仲裁段（包含ID 优先级 ），控制段，数据段，CRC段，ACK段，帧结束。

  • 帧起始： （SOF） 以一个位的显性电平‘0’开始。

  • 仲裁段：（标准格式和扩展格式有所不同）

    • 标准格式：由11位的ID和RTR （Remote Transmission Request） 位构成:0数据帧，1遥控帧；
    • 扩展格式：由1?? 11位标准ID，和 2?? SRR （Substitute Remote Request） 位:用来代替标准格式种RTR位，进行占位，和3?? IDE （Identifier Extension） :用于区分是否为扩展帧；标准格式（中IDE位在控制段）为显性‘0’，扩展格式为隐性‘1’，和4?? 18位的扩展ID，和5?? RTR位（0数据，1遥控）共五部分组成；
    • 对于ID先后的仲裁，从ID的高为一直往下比，0具有比1高的优先级，但CAN规定标准的ID中禁止高7位均为隐性，即不允许存在0x1111 111X XXX的ID .

  • 控制段：（标准格式和扩展格式有所不同）

    • 标准格式：1?? IDE位为显性‘0’ , 和2?? r0保留位（默认显性），和3?? DLC (Data Length Contorller ) 4位，用于表示接下来的报文数据有含有多少字节（0-8）,三部分组成；

    • 扩展格式： 由两位保留位r1,r0（默认显性），和DLC(0-8)表示接下来的字节长度组成；

  • 数据段：0到8个字节的数据；MSB先行；

  • CRC段：15位的校验码，和1位的CRC界定符（隐性1），CRC计算范围包括：帧起始和仲裁段和控制段和数据段；发送与接收的计算的CRC不同时会报错；

  • ACK段：

  • 帧结束：由发送端发送7个位的隐性位表示帧结束；

    数据帧的构成如下图：

    

• 位时序：

  对于没有时钟线的can协议，其采用的是与uart相同的通信的双方事先约定好波特率的形式。

  但can对应每一位的时间有较严格的要求，所以有位时序（即每一个位0/1中分出不同的时间段）的构成：（最小时间单位为1tq）（通常一个完整的位长8-25个tq）

  

  • SS （SYNC SEG） 段：同步段，要求总线的跳变沿发生在此段内，则表明该节点已与总线同步,大小为1tq;

  • PTS （PROP SEG） 段:传播时间段，用于补偿网络的物理延时，大小为1-8tq;

  • PBS1 (PHASE SEG1) 段：相位缓冲段1，通过在重新同步时加长该段时间，用来补偿边沿阶段的误差，大小为1-8tq;

  • PBS2 (PHASE SEG2) 段：相位缓冲段2，通过在重新同步时缩短该段时间，用来补偿边沿阶段的误差，大小为2-8tq;

  • SJW (reSynchornization Jump Width) : 再同步补偿宽度，用于重新同步时加长PSBS1和缩短PBS2所允许的限定宽度。不属于一个位的时段 ，一个位仅包含上面的四段。

  • 实际通讯时，

    • 硬同步：通过帧起始的跳变沿是否落在SS段内判断是否同步，以此调整节点与总线的同步；
    • 软同步：通过加长PBS1或者缩短PBS2，来使位的跳变沿落在SS段内，以此同步。

  在使用stm32的库函数时，会通过定义PBS1和PBS2段的长度及时钟预分频系数的大小来确定通讯的波特率。

2.Stm32的bxCAN （Basic eXtend CAN）

1)bxCAN简介：

• 普通stm32f103系列具有一个CAN(14个过滤器)，互联型和f407有2个CAN（28个过滤器）；（介绍普通型为主）

• 拥有3个发送报文邮箱，两个拥有三级邮箱的FIFO (First Input First Output) 用于接收报文；（邮箱：存放要发送和收到的内容）

• 14组位宽可变，可配置标识符的接受过滤器 （Acceptance Filters） 用于对传输来的ID 优先级 进行识别，判断是否要接收该 ID 优先级 的报文。
  

2）过滤器位宽及模式

• 位宽：32位时用于过滤带扩展的ID（如上图中的映象一栏）；16位时用于过滤标准ID;

• 过滤器模式：一个过滤器是由两个32位的寄存器组成：（1个标识符寄存器+1个屏蔽寄存器）

  • 设置为标识符列表模式时，屏蔽寄存器也被作为标识符寄存器使用，过滤器会检查收到的ID是否与所设置的ID（标识符寄存器中的ID）一模一样，只有一样，才会接收其报文，将其存入FIFO0/1的邮箱中；

  • 设置为标识符屏蔽位时，只有屏蔽寄存器（掩码）中为1的位 ，过滤器才会检查收到的ID与 所设置的ID（标识符寄存器中的ID）再该位与是否一致，屏蔽寄存器中为0的位则不与理会，是0是1均可，这样符合情况的（一组）ID所发送的报文才会接收，将其存入FIFO0/1的邮箱中；

3）bxCAN模式简介：

• 三种模式：

• 三种工作模式的转换：

  

• 三种测试模式的区别：

  • 静默模式：对总线一直保持1隐性电平，接收数据帧正常；

  • 环回模式：自发自收，将自己发送出去的报文自己接收，可以用于自测试，而忽略接收数据帧；

  • 环回静默模式：对总线一直保持1隐性电平，且忽略接收的数据帧，完全与总线断开的自发自收；

    

4)邮箱发送过程：

红色表示一次发送成功的过程：

• 当有超过1个发送邮箱在挂号时，发送顺序由邮箱中报文的标识符决定。 根据CAN协议，标识符 数值最低的报文具有最高的优先级。如果标识符的值相等，那么邮箱号小的报文先被发送 。

5)邮箱接收过程：

3.bxCAN寄存器介绍：

寄存器的数量较多分为三组：（较多，每个位没有全部列出，详情看手册）

1）CAN控制和状态寄存器

• CAN_MCR (Main Controller) :主控制寄存器，[5]AWUM 自动唤醒模式选择位（0软件，1硬件）；[1]SLEEP 睡眠请求位（1进入睡眠模式，0退出睡眠模式） [0] INRQ 初始化请求位（0 由初始化进入正常模式，1 由正常模式进入初始化模式 （退出CAN时） ）

• CAN_MSR ：主状态寄存器，[1]SLAK 睡眠模式确认位，表明正处于睡眠模式；[0]INAK 表明正处于初始化状态；

• CAN_TSR：发送邮箱1/2/3的各种状态位；

• CAN_RF0R :FIFO0的对应状态及控制寄存器，[5]RFOM0 释放FIFO0 的输出邮箱，释放后，该位由软件清零；

• CAN_RF1R：与CAN_RF0R的各位功能相同，控制及状态是FIFO1.

• CAN_IER：CAN各中断的使能位。

• CAN_ESR：CAN错误状态寄存器。

• CAN_BTR：CAN位时序寄存器，

  • [25:24]SJWT 这两位定义了重新同步时可延长或缩短的时间单位上限，（JwT+1）个tq.

  • [22:20]TS2 这两位定义了时间段2占几（TS2+1个）个时间单元tq.

  • [19:16]TS1 这两位定义了时间段1占几（TS1+1个）个tq.

  • [9:0]BRP ((Baud rate prescaler)): 波特率分频器,该位域定义了时间单元(tq)的时间长度.
    $$\begin{gathered} f_{Baud}=\frac{1}{正常位时间}=\frac{1}{(t_q+t_{BS1}+t_{BS2})}=\frac{1}{t_q[(TS1+1)+(TS2+1)+1]} \\ =\frac{1}{\frac{1}{\frac{f_{PLCk}}{BRP+1}}[(TS1+1)+(TS2+1)+1]}=\frac{f_{PLCK}}{(BRP+1)(TS1+1+TS2+1+1)} \end{gathered}$$
    

2）CAN邮箱寄存器

• 

• 如上图，邮箱的寄存器按功能可以分成4种：(x表示0/1 (FIFO0/1) 每个FIFO虽然有3极深度，但读取时只能从寄存器中读出最先收到的报文,y表示1/2/3，发送缓存的三个邮箱）

  • CAN_RIxP/TIyR ：（Identify Register）邮箱标识符寄存器 ,32位，前31位用于存放要发送或者接收到的ID,TIyR[0]为TXRQ 发送请求位，1是请求邮箱发送数据，发送完成邮箱空时，硬件清零；接收邮箱该位保留；

  • CAN_RDTxR/TDTyR: (Data length message Time):邮箱数据长度和时间戳寄存器,

    • [31:16]TIME为发送报文的时间记录（16位定时器的值，时间戳）；

    • [15:8]FMI,对应接收邮箱（FIFO）匹配的过滤器的序号（0-13），

      发送邮箱[15:9]保留，中只有[8]TGT为发送时间戳使能位,使能该位时，CAN必须处于发送模式，且发送字节长度必为8，时间戳作为发送数据的第7，8字节被发送；

    • [3:0]DLC:决定了接收/要发送的数据长度（字节数，取值0-8）；

  • CAN_RDLXR/TDLyR: 储存接收到/要发送的报文的第1到第4个字节数据；

  • CAN_RDHXR/TDHyR: 储存接收到/要发送的报文的第5到第8个字节数据。

3）CAN过滤器寄存器

• CAN_FMR:过滤器主控寄存器,非互联型stm32只有[0]FINT位有效，（1过滤器组初始化，0过滤器组工作在正常模式）；

  以下寄存器在配置时，CAN的过滤器需处于初始化状态，即，FINT=1

  以下寄存器中，均是低28位有效，但非互联型产品则是低14位有效，

• CAN_FS1R: (Filter scale) 用于设置过滤器的位宽，对应位为1，该过滤器为单个32位；为0，该过滤器为2个16位

• CAN_FFA1R：（Filter FIFO assignment） 过滤器FIFO关联寄存器，对应位为0是，报文在该过滤器过滤后进入FIFO0;若为1，则进入FIFO1;

• CAN_FA1R: （ Filter active） 过滤器激活寄存器，对应位置为1，则激活该过滤器；

• CAN_FiRx （x=1/2,i=0 -13）：过滤器组i的寄存器x;一组过滤器组寄存器两个32位，在不同模式(屏蔽位模式/标识符列表模式)时充当的角色不同，用于存放我们要求的ID号 优先级 ，或掩码。 [详情见](#### 2）过滤器位宽及模式)

4.库函数使用

1）流程：

• 初始化流程：

初始化时，需填入两个结构体到两个初始化函数中：

CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);//CAN初始化函数，需要一个CAN_InitTypeDef类型结构体；该结构体成员如下：
typedef struct
{
//与波特率相关的成员
 uint16_t CAN_Prescaler;// Baud的预分频系数，1-1024
 uint8_t CAN_SJW; //定义好的宏:...1-4tq
 uint8_t CAN_BS1; //定义好的宏...1-16tq
 uint8_t CAN_BS2;//定义好的宏....2-8tq
//与模式相关的成员
 uint8_t CAN_Mode; //模式，定义好的宏：正常/静默/回环/静默回环
 //以下均是ENABLE/DISABLE
 FunctionalState CAN_TTCM;//是否使用时间触发通信，即使用CAN内部定时器生成时间戳 
 FunctionalState CAN_ABOM;//是否在发生错误时由硬件进入自动离线管理状态
 //硬件自动控制时：硬件检测到128次11位连续隐性电平后自动进入离线状态；软件控制时：软件对INRQ置1随后请0，再检测到128次11位连隐性才离线
 FunctionalState CAN_AWUM;// 是否由硬件自动唤醒，由软件唤醒时需清除CAN->MCR的SLEEP位
 FunctionalState CAN_NART;// 是否！禁止！在发送失败时自动重传；DISABLE即自动重传开启
 FunctionalState CAN_RFLM;//FIFO是否锁定，锁定时，FIFO溢出时会丢弃新报文，不锁定时，新报文会覆盖旧报文 
 FunctionalState CAN_TXFP;// 报文发送优先级判定方法，ENABLE时由报文请求顺序决定，DISABLE时，由报文标识符决定
} CAN_InitTypeDef;

 CAN_FilterInit(CAN_FilterInitTypeDef* CAN_FilterInitStruct)；//过滤器初始化函数；填入结构体成员如下：
 typedef struct
{
 uint8_t CAN_FilterNumber; //要选择的过滤器组0-13
 uint8_t CAN_FilterScale; //过滤器的过滤的位宽....16bit/....32bit
 uint8_t CAN_FilterMode; //过滤器模式...MASK/....LAST
 uint16_t CAN_FilterFIFOAssignment; //该过滤器与那个FIFO关联
 
 uint16_t CAN_FilterIdHigh; 
 uint16_t CAN_FilterIdLow; //过滤器的目标标识符ID高16位和低16位；
 uint16_t CAN_FilterMaskIdHigh; 
 uint16_t CAN_FilterMaskIdLow; //32位屏蔽位寄存器，1的位则要求与目标一致，0的位不关心
 FunctionalState CAN_FilterActivation; //是否激活该过滤器；
} CAN_FilterInitTypeDef
 

CAN与其他外设在库函数上最大的不同，可能是它发送及接收数据时得使用结构体将数据传入，因为CAN每次发送的数据帧较大 （f103中没有CAN1/2,CAN1就是CAN）

• 发送数据：

  需要使用一个库函数定义好的结构体：CanTxMsg 类型

  mbox=CAN_Transmit(CAN1, &TxMessage)//发送函数;此函数的返回值为发送的邮箱号
  
  //所需结构体成员分析如下：
  typedef struct
  {
    uint32_t StdId;  /*要发送的自身的标准ID，取值 0 to 0x7FF. */
    uint32_t ExtId;  /*要发送的自身的扩展ID，取值 0 to 0x1FFFFFFF. */
    uint8_t IDE;     /*是否为扩展帧，可选为预先定义好的宏 ....Standard/....Extended*/
    uint8_t RTR;     /*是否为遥控帧，预定义好的宏，....Data/Remote */
    uint8_t DLC;     /*所要发送的数据长度（字节数），取值  0 to 8 */
    uint8_t Data[8]; /*所要发送的8个字节的数据的缓冲区数组，将要发送的数据对数组中成员一一赋值即可. */
  } CanTxMsg;
  

  注意，每次发送数据后，需检查对应的标志位，保证数据发送完成，才能退出

  可以像原子一样使用如下的检验函数（设置检查标志位的次数限制，防止卡在死循环中）

    u16 i=0;
    while((CAN_TransmitStatus(CAN1, mbox)==CAN_TxStatus_Failed)&&(i<0XFFF))i++;	//等待发送结束
  //CAN_TransmitStatus(CAN1, mbox)该函数查询对应的邮箱号（上面发送函数的返回值）是否发送结束
    if(i>=0XFFF)return 1;
    return 0;	
  

• 接收数据：

  与发送完数据要检查数据是否发送完成一样，接收数据时先检查是否有对应的接收标志位被挂起

   if( CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)==0)return 0;		//没有接收到数据,直接退出 
   //CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)检查输入的FIFO是否有挂起接收到报文的标志位
  

  读取数据时同样需要使用一个库函数定义好的结构体：CanRxMsg 类型

  CAN_Receive(CAN1, CAN_FIFO0, &RxMessage);//接收报文函数，将定义的结构体指针传入，然后读取该结构体变量的成员即可；
  
  //结构体成员分析如下：
  typedef struct
  {
    uint32_t StdId;  /*所接收到报文的标准ID,读出的值在 0 to 0x7FF. */
    uint32_t ExtId;  /*!所接收到报文的扩展ID,读出的值在 0 to 0x1FFFFFFF. */
    uint8_t IDE;     /*!接收到是扩展帧还是标准帧，可与预定义好的宏比较 */
    uint8_t RTR;     /*!接收到是遥控帧还是数据帧，可与预定义好的宏比较 */
    uint8_t DLC;     /*!接收到的数据长度，读出的值在 0 to 8 */
    uint8_t Data[8]; /*!存放接收数据的字符数组缓冲区，可从其中取出得到的数据 */
    uint8_t FMI;     /*将该报文存入邮箱的 过滤器序号*/
  } CanRxMsg;