全面解析CAN基礎(chǔ)知識

1. CAN協(xié)議

1.1 CAN協(xié)議簡介

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network) 的簡稱，它是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11519以及ISO11898), 是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。差異點如下：

1.2 CAN物理層

CAN通訊不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有CAN_High和 CAN_Low兩條信號線，共同構(gòu)成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。CAN 物理層的形式主要有兩種：

遵循ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速、短距離閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，總線最大長度為40m，通信速度最高為 1Mbps，總線的兩端各要求有一個120歐的電阻

是遵循ISO11519-2標(biāo)準(zhǔn)的低速、遠距離開環(huán)網(wǎng)絡(luò)，最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個2.2千歐的電阻

以TJA1050芯片作為CAN收發(fā)器的電路原理圖如下圖示

差分信號又稱差模信號，差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯0和邏輯1，CAN中顯性電平（差值為正）對應(yīng)邏輯0，隱性電平（差值小于或等于0）對應(yīng)邏輯1，顯性電平比隱性電平更強

1.3 CAN協(xié)議層

CAN屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點會像串口異步通訊那樣，節(jié)點間使用約定好的波特率進行通訊，CAN使用位同步的方式來抗干擾、吸收誤差，實現(xiàn)對總線電平信號進行正確的采樣，確保通訊正常

位時序分解：為了實現(xiàn)位同步，CAN協(xié)議把每一個數(shù)據(jù)位的時序分解成SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，這四段的長度加起來即為一個CAN數(shù)據(jù)位的長度。分解后最小的時間單位是Tq，一個完整的位由8~25個Tq組成

波特率：總線上的各個通訊節(jié)點只要約定好1個Tq的時間長度以及每一個數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個Tq，就可以確定CAN通訊的波特率

例如，假設(shè)上圖中的 1Tq=1us，而每個數(shù)據(jù)位由 19 個 Tq 組成，則傳輸一位數(shù)據(jù)需要時間 T1bit=19us，從而每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個數(shù)為：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)。這個每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的個數(shù)即為通訊中的波特率。

同步過程：波特率只是約定了每個數(shù)據(jù)位的長度，數(shù)據(jù)同步還涉及到相位的細節(jié)，此時就要用到數(shù)據(jù)位內(nèi)的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。根據(jù)對段的應(yīng)用方式差異， CAN的數(shù)據(jù)同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當(dāng)存在幀起始信號時起作用，無法確保后續(xù)一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題

硬同步：CAN節(jié)點通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，會發(fā)送一個幀起始信號。而掛載到CAN總線上的節(jié)點在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，會時刻檢測總線上的信號。如下圖，當(dāng)總線出現(xiàn)幀起始信號時，節(jié)點檢測到總線的幀起始信號不在節(jié)點內(nèi)部時序的 SS 段范圍，所以判斷它自己的內(nèi)部時序與總線不同步，因而這個狀態(tài)的采樣點采集得的數(shù)據(jù)是不正確的。所以節(jié)點以硬同步的方式調(diào)整，把自己的位時序中的 SS 段平移至總線出現(xiàn)下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點就可以采集得正確數(shù)據(jù)了

重新同步：前面的硬同步只是當(dāng)存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數(shù)據(jù)內(nèi)，節(jié)點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而引入重新同步方式，它利用普通數(shù)據(jù)位的高至低電平的跳變沿來同步。與硬同步方式相似的是它們都使用 SS 段來進行檢測，同步的目的都是使節(jié)點內(nèi)的 SS 段把跳變沿包含起來。重新同步分為超前和滯后兩種情況，以總線跳變沿與 SS 段的相對位置進行區(qū)分。

-- 相位超前：節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內(nèi)部的時序比總線的時序相對超前 2Tq，這時控制器在下一個位時序中的 PBS1 段增加 2Tq 的時間長度，使得節(jié)點與總線時序重新同步

-- 相位滯后：節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后 2Tq，這時控制器在前一個位時序中的 PBS2 段減少 2Tq 的時間長度，獲得同步

報文種類及結(jié)構(gòu)：對數(shù)據(jù)、操作命令 (如讀/寫) 以及同步信號進行打包，打包后的這些內(nèi)容稱為報文。CAN一共規(guī)定了5種類型的幀

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)幀是在CAN通訊中最主要、最復(fù)雜的報文，它的結(jié)構(gòu)如下圖

其他報文結(jié)構(gòu)

2. CAN控制器

STM32 的芯片中具有bxCAN控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B標(biāo)準(zhǔn)。該CAN控制器支持最高的通訊速率為1Mb/s；可以自動地接收和發(fā)送CAN報文，支持使用標(biāo)準(zhǔn)ID和擴展ID的報文；外設(shè)中有3個發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的優(yōu)先級可以使用軟件控制，還可記錄發(fā)送的時間；有2個3級深度的接收FIFO，可使用過濾功能只接收或不接收某些ID號的報文；可配置成自動重發(fā)；不支持使用DMA進行數(shù)據(jù)收發(fā)?？蚣苁疽鈭D如下：

STM32有兩組CAN控制器，其中CAN1是主設(shè)備，框圖中的存儲訪問控制器是由CAN1控制的，CAN2無法直接訪問存儲區(qū)域，所以使用CAN2的時候必須使能CAN1外設(shè)的時鐘?？驁D中主要包含CAN控制內(nèi)核、發(fā)送郵箱、接收FIFO以及驗收篩選器，下面對框圖中的各個部分進行介紹

2.1 CAN控制內(nèi)核

主控寄存器CAN_MCR：負責(zé)管理CAN的工作模式

INRQ位：用來控制初始化請求，在CAN初始化時，先設(shè)置該位為1，進行初始化，之后再設(shè)置該位為0，讓CAN進入正常工作模式

位時序寄存器CAN_BTR：用于配置測試模式、波特率以及各種位內(nèi)的段參數(shù)

CAN波特率的計算公式：只需要知道BS1和BS2的設(shè)置，以及APB1的時鐘頻率，就可以方便的計算出波特率。比如設(shè)置TS1=9、TS2=5和BRP=6，在APB1頻率為45Mhz的條件下，即可得到CAN通信的波特率=45000/6/(5+9+1)=500Kbps

2.2 CAN發(fā)送郵箱

CAN 共有3個發(fā)送郵箱，即最多可以緩存3個待發(fā)送的報文。每個發(fā)送郵箱中包含有標(biāo)識符寄存器CAN_TIxR、數(shù)據(jù)長度控制寄存器CAN_TDTxR及2個數(shù)據(jù)寄存器CAN_TDLxR、CAN_TDHxR，如下圖

當(dāng)使用CAN外設(shè)發(fā)送報文時，需要把報文的各個段分解，按位置寫入到這些寄存器中，并對標(biāo)識符寄存器CAN_TIxR中的發(fā)送請求寄存器位TMIDxR_TXRQ置1，即可把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。其中標(biāo)識符寄存器CAN_TIxR中的STDID寄存器位比較特別。我們知道CAN的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符的總位數(shù)為11位，而擴展標(biāo)識符的總位數(shù)為29位的。當(dāng)報文使用擴展標(biāo)識符的時候，標(biāo)識符寄存器CAN_TIxR中的STDID[10:0]等效于EXTID[18:28]位，它與EXTID[17:0]共同組成完整的29位擴展標(biāo)識符

發(fā)送郵箱標(biāo)識符寄存器CAN_TIxR

發(fā)送郵箱數(shù)據(jù)長度和時間戳寄存器CAN_TDTxR

發(fā)送郵箱低字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器CAN_TDLxR

發(fā)送郵箱高字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器CAN_TDHxR

2.3 CAN接收FIFO

CAN 共有2個接收FIFO，每個FIFO中有3個郵箱，即最多可以緩存6個接收到的報文。當(dāng)接收到報文時，F(xiàn)IFO的報文計數(shù)器會自增，而STM32內(nèi)部讀取FIFO數(shù)據(jù)之后，報文計數(shù)器會自減，通過狀態(tài)寄存器可獲知報文計數(shù)器的值，而通過前面主控制寄存器的RFLM位，可設(shè)置鎖定模式，鎖定模式下FIFO溢出時會丟棄新報文，非鎖定模式下FIFO溢出時新報文會覆蓋舊報文。跟發(fā)送郵箱類似，每個接收FIFO中包含有標(biāo)識符寄存器CAN_RIxR、數(shù)據(jù)長度控制寄存器CAN_RDTxR及2個數(shù)據(jù)寄存器CAN_RDLxR、CAN_RDHxR，它們的功能見下表

通過中斷或狀態(tài)寄存器知道接收FIFO有數(shù)據(jù)后，我們再讀取這些寄存器的值即可把接收到的報文加載到STM32的內(nèi)存中 ?接收FIFO郵箱標(biāo)識符寄存器CAN_RIxR

接收FIFO郵箱數(shù)據(jù)長度和時間戳寄存器CAN_RDTxR

接收FIFO郵箱低字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器CAN_RDLxR

接收FIFO郵箱高字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器CAN_RDHxR

2.4 CAN驗收篩選器

AN 驗收篩選器，共有28個篩選器組，每個篩選器組有2個寄存器，CAN1和CAN2 共用篩選器。CAN協(xié)議中，消息的標(biāo)識符與節(jié)點地址無關(guān)，但與消息內(nèi)容有關(guān)。因此，發(fā)送節(jié)點將報文廣播給所有接收器時，接收節(jié)點會根據(jù)報文標(biāo)識符的值來確定軟件是否需要該消息，為了簡化軟件的工作，STM32的CAN外設(shè)接收報文前會先使用驗收篩選器檢查，只接收需要的報文到FIFO中。篩選器工作的時候，可以調(diào)整篩選ID的長度及過濾模式。

根據(jù)篩選ID長度來分類有有以下兩種：

檢查 STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE 和 RTR 位，共 31 位

檢查 STDID[10:0]、RTR、IDE 和 EXTID[17:15]，共 16 位

根據(jù)過濾的方法分為以下兩種模式：

標(biāo)識符列表模式，它把要接收報文的 ID 列成一個表，要求報文 ID 與列表中的某一個標(biāo)識符完全相同才可以接收，可以理解為白名單管理。

掩碼模式，它把可接收報文 ID 的某幾位作為列表，這幾位被稱為掩碼，可以把它理解成關(guān)鍵字搜索，只要掩碼 (關(guān)鍵字) 相同，就符合要求，報文就會被保存到接收 FIFO

通過配置篩選模式寄存器CAN_FM1R的FBMx位可以設(shè)置篩選器工作在哪個模式。通過配置篩選尺度寄存器CAN_FS1R的FSCx位可以設(shè)置篩選器工作在哪個尺度。不同的尺度和不同的過濾方法可使篩選器工作在圖的 4 種狀態(tài)