CAN通信

本文结合多篇博客整合，加上我自己的理解，综合形成，用来预习CAN章节应该问题不大。

观看建议

必看：

1. CAN协议简介
2. CAN物理层
3. CAN的报文种类及结构
4. STM32的CAN外设简介

其他了解即可

1 CAN协议简介

• CAN总线协议

瞥一眼即可

2 CAN物理层

CAN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。

2.1 CAN物理层的两种形式

1. 闭环总线网络（高速）
   遵循ISO11898标准的高速、短距离"闭环网络"，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。
   

2. 开环总线网络（低速）
   遵循ISO11519-2标准的低速、远距离"开环网络"，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。
   

我们现在使用的主要为闭环总线网络

2.2 通讯节点

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。
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。

2.3 差分信号

什么是差分信号

差分信号优点：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

2.4 CAN协议中的差分信号

3 协议层

3.1 CAN的波特率及位同步

由于CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，特别地，CAN还会使用"位同步"的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。

3.1.1 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。为方便表示，高低电平直接代表信号逻辑0或逻辑1(不是差分信号)。

该图中表示的CAN通讯信号每一个数据位的长度为19Tq，其中SS段占1Tq，PTS段占6Tq，PBS1段占5Tq，PBS2段占7Tq。信号的采样点位于PBS1段与PBS2段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样。

各段的作用如介绍下：

1. SS段(SYNC SEG)
   SS译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。SS段的大小固定为1Tq。

2. PTS段(PROP SEG)
   PTS译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。PTS段的大小可以为1~8Tq。

3. PBS1段(PHASE SEG1)，
   PBS1译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。PBS1段的初始大小可以为1~8Tq。

4. PBS2段(PHASE SEG2)
   PBS2这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。PBS2段的初始大小可以为2~8Tq。

3.1.2 通讯的波特率

总线上的各个通讯节点只要约定好1个Tq的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN通讯的波特率。

3.1.3 同步过程分析

3.1.3.1 硬同步

若某个CAN节点通过总线发送数据时，它会发送一个表示通讯起始的信号(即下一小节介绍的帧起始信号)，该信号是一个由高变低的下降沿。而挂载到CAN总线上的通讯节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。
某节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的SS段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了。

3.1.3.2 重新同步

前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步(帧起始信号是特殊的跳变沿)。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用SS段来进行检测，同步的目的都是使节点内的SS段把跳变沿包含起来。
重新同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与SS段的相对位置进行区分。第一种相位超前的情况，节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前2Tq，这时控制器在下一个位时序中的PBS1段增加2Tq的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。

第二种相位滞后的情况，节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后2Tq，这时控制器在前一个位时序中的PBS2段减少2Tq的时间长度，获得同步。

在重新同步的时候，PBS1和PBS2中增加或减少的这段时间长度被定义为"重新同步补偿宽度SJW (reSynchronization Jump Width)"。一般来说CAN控制器会限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq时，单次同步调整的时候不能增加或减少超过3Tq的时间长度，若有需要，控制器会通过多次小幅度调整来实现同步。当控制器设置的SJW极限值较大时，可以吸收的误差加大，但通讯的速度会下降。

3.1.4 CAN的报文种类及结构

CAN使用的是两条差分信号线，只能表达一个信号，简洁的物理层决定了CAN必然要配上一套更复杂的协议，对数据、操作命令(如读/写)以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。

3.1.4.1 报文的种类

CAN一共规定了5种类型的帧，本文只讲解数据帧
详细见

数据帧

数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、CRC段和ACK段。

1. 帧起始
   SOF段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。

   1.1 仲裁段
   当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。

   仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID信息的长度，标准格式的ID为11位，扩展格式的ID为29位，它在标准ID的基础上多出18位。在CAN协议中，ID起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。CAN协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息，我们会给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。也正因为它这样的优先级分配原则，使得CAN的扩展性大大加强，在总线上增加或减少节点并不影响其它设备。

   报文的优先级，是通过对ID的仲裁来确定的。根据前面对物理层的分析我们知道如果总线上同时出现显性电平和隐性电平，总线的状态会被置为显性电平，CAN正是利用这个特性进行仲裁。

   若两个节点同时竞争CAN总线的占有权，当它们发送报文时，若首先出现隐性电平，则会失去对总线的占有权，进入接收状态。在开始阶段，两个设备发送的电平一样，所以它们一直继续发送数据。到了图中箭头所指的时序处，节点单元1发送的为隐性电平，而此时节点单元2发送的为显性电平，由于总线的"线与"特性使它表达出显示电平，因此单元2竞争总线成功，这个报文得以被继续发送出去。

   

   仲裁段ID的优先级也影响着接收设备对报文的反应。因为在CAN总线上数据是以广播的形式发送的，所有连接在CAN总线的节点都会收到所有其它节点发出的有效数据，因而我们的CAN控制器大多具有根据ID过滤报文的功能，它可以控制自己只接收某些ID的报文。
   1.2 RTR位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。

   1.3 IDE位(Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。

   1.4 SRR位(Substitute Remote Request Bit)，只存在于扩展格式，它用于替代标准格式中的RTR位。由于扩展帧中的SRR位为隐性位，RTR在数据帧为显性位，所以在两个ID相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高。

2. 控制段
   在控制段中的r1和r0为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(Data Length Code)，译为数据长度码，它由4个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC段表示的数字为0~8。

3. 数据段
   数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8个字节组成，MSB先行。

4. CRC段
   为了保证报文的正确传输，CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码，一旦接收节点算出的CRC码跟接收到的CRC码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。
   在CRC校验码之后，有一个CRC界定符，它为隐性位，主要作用是把CRC校验码与后面的ACK段间隔起来。

5. ACK段
   ACK段包括一个ACK槽位，和ACK界定符位。类似I2C总线，在ACK槽位中，发送节点发送的是隐性位，而接收节点则在这一位中发送显性位以示应答。在ACK槽和帧结束之间由ACK界定符间隔开。

6. 帧结束
   EOF段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7个隐性位表示结束。

4 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。

4.1 STM32的CAN架构剖析

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。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，下面对框图中的各个部分进行介绍。

4.1.1 CAN控制内核

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。

主控制寄存器CAN_MCR

(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。

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

各个工作模式介绍如下：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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，如当输出直连输入时，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。

(2) 位时序及波特率

STM32外设定义的位时序与我们前面解释的CAN标准时序有一点区别

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。

4.1.2 CAN发送邮箱

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

寄存器名	功能
标识符寄存器CAN_TIxR	存储待发送报文的ID、扩展ID、IDE位及RTR位
数据长度控制寄存器CAN_TDTxR	存储待发送报文的DLC段
低位数据寄存器CAN_TDLxR	存储待发送报文数据段的Data0-Data3这四个字节的内容
高位数据寄存器CAN_TDHxR	存储待发送报文数据段的Data4-Data7这四个字节的内容

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。

4.1.3 CAN接收FIFO

AN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

寄存器名	功能
标识符寄存器CAN_RIxR	存储收到报文的ID、扩展ID、IDE位及RTR位
数据长度控制寄存器CAN_RDTxR	存储收到报文的DLC段
低位数据寄存器CAN_RDLxR	存储收到报文数据段的Data0-Data3这四个字节的内容
高位数据寄存器CAN_RDHxR	存储收到报文数据段的Data4-Data7这四个字节的内容

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。

4.1.4 验收筛选器

CAN外设的验收筛选器，一共有28个筛选器组，每个筛选器组有2个寄存器，CAN1和CAN2共用的筛选器的。

在CAN 协议中，消息的标识符与节点地址无关，但与消息内容有关。因此，发送节点将报文广播给所有接收器时，接收节点会根据报文标识符的值来确定软件是否需要该消息，为了简化软件的工作，STM32的CAN外设接收报文前会先使用验收筛选器检查，只接收需要的报文到FIFO中。

筛选器工作的时候，可以调整筛选ID的长度及过滤模式。根据筛选ID长度来分类有有以下两种：

(1) 检查STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE 和RTR 位，一共31位。

(2) 检查STDID[10:0]、RTR、IDE 和EXTID[17:15]，一共16位。

通过配置筛选尺度寄存器CAN_FS1R的FSCx位可以设置筛选器工作在哪个尺度。

而根据过滤的方法分为以下两种模式：

(1) 标识符列表模式，它把要接收报文的ID列成一个表，要求报文ID与列表中的某一个标识符完全相同才可以接收，可以理解为白名单管理。

(2) 掩码模式，它把可接收报文ID的某几位作为列表，这几位被称为掩码，可以把它理解成关键字搜索，只要掩码(关键字)相同，就符合要求，报文就会被保存到接收FIFO。

通过配置筛选模式寄存器CAN_FM1R的FBMx位可以设置筛选器工作在哪个模式。

不同的尺度和不同的过滤方法可使筛选器工作在图 4015的4种状态。

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。

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。

4.1.5 整体控制逻辑

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。