STM32-CAN通信协议

STM32——CAN通讯协议

CAN协议简述

• CAN—Controller Area Network（控制器局域 ），由Bosch开发的一种面向汽车的通信协议,这是目前应用最广泛的通信协议，更是尤其是在汽车电子行业。CAN的开发不仅极大增强了汽车电子系统的安全性和稳定性，也减少了汽车电子系统内线束数量
• 下面我们仅重点叙述CAN在物理层和数据链路层的规定。

物理层

• CAN协议经过ISO标准化后有ISO11898和ISO11519-2两种标准。其区别仅于物理层不同，ISO11898是CAN闭环高速通信标准，而ISO11519-2是开环低速通信标准,下面仅重点叙述IS011898物理层特性。

• 为了增强总线抗干扰能力和安全性，我们来看下CAN总线在物理层上做的工作。

• 在物理层上，CAN总线定义了CAN_High和CAN_Low两条差分信 线，CAN总线的逻辑电平为两条线的电位差(CAN_High – CAN_Low)。那么这样定义会带来什么好处呢工业现场中，很多干扰都是共模干扰，如电磁干扰、机械振动等。当外界环境的共模干扰施加到CAN总线上时，CAN采用差分信 线，使得共模干扰得以抵消，不会影响CAN总线逻辑。这就从物理层上提高了总线的稳定性和安全性。
  下图为ISO11898标准CAN协议拓扑图
  

• 从上表可以看出，电位差为0V时，表现为隐形电平1;电位差为2V时，为显性电平1。

• 由于ISO11519-2通信标准与ISO11898通信标准类似，就不再赘述，下面提供一个表格表示两种通信标准物理层差异：

位时序

同样为了提高数据传输的稳定性和安全性，CAN协议在位时序上也做了相应工作，CAN协议规定每一位由下面四段组成：

• 同步段（SS：Synchronization Segment），多个连接在总线上的单元通过此段实现时序调整，达到同步收发的目的。起始信 边沿变化正常情况下会出现在此段中。
• 传播时间段（PTS:Propagation Time Segment），用于平衡 络上的物理延迟，即发送单元输出延迟、总线信 传输延迟。该段时间为延时时间和的二倍。
• 相位缓冲段1（PBS1:Phase Buffer Segment 1）,当信 边沿即电平变化的那个时刻不是出现在同步段中时，总线上各单元信 因为细微累计误差导致不同步，可以在该段进行补偿，具体如何补偿将在后面叙述。在PSB1段结束时刻即为采样时刻，采样时刻电平即为该位的电平。
• 相位缓冲段2（PBS2:Phase Buffer Segment 2），与PBS1段一起补偿信 误差。
• 再同步补偿宽度（SJW: Resynchronization Jump Width）,该段不是位时序组成段，它是信 同步补偿限度，即当进行同步补偿时，每次补偿不能超过这个限度。
  上面的SS、PTS、PSB1、PBS2、四段共同组成一个位，而这四段又由若干个最小时间单位Time Quantum(Tq)组成，CAN协议正是通过设置Tq大小，和每段Tq数量来设置通信速率和采样点。下表给出了每段Tq的数量范围：

由于波特率是每秒传输的位数，所以:波特率=1/(8~25)Tq。下图是10Tq的位时序。

再同步

数据格式

若干个最小时间量子Tq构成了1个位时序，若干个位时序组合又构成了消息帧。
CAN协议规定了以下四种帧

帧	作用
数据帧	发送单元向接收单元传送的数据
遥控帧	接收单元向发送单元请求数据
错误帧	检测出错误时向其他单元通知错误
过载帧	接收单元通知发送单元尚未做好接收准备

数据帧

在CAN协议中有标准格式和扩展格式两种数据帧格式，扩展格式在标准格式前增加了一些位来扩展ID，其他区别不大。下图是标准格式时序图。

错误帧

错误帧由6位的错误标志和8位的错误界定符组成，错误标志分为主动错误标志和被动错误标志两种，当为主动错误标志时，这6个位均为显性位；反之，均为隐性位。错误界定符由8个隐性位组成。下图为错误帧示意图。


• TEC
• (TEC>127 &&TEC127 &&REC
• TEC>255,为总线关闭状态

过载帧

由6位过载标志位和8位过载界定符组成，当过载标志位均为显性位时表示过载，过载界定符由8个隐性位构成。

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数据链路层

数据链路层将物理层的信 组织为有一定格式的数据，完成控制数据传输，错误控制等流程，如消息的帧化、仲裁、错误检测、错误 告、应答等。
因为数据链路层的很多东西都已经在前面介绍过了，所以就不再赘述，给出数据链路层的基本参照模型。


发送信箱及接收FIFO

发送邮箱

由上面的bxCAN框架可知，bxCAN有3个发送邮箱，bxCAN在发送 文时，只需要设置邮箱格式（标识符，数据长度，待发送数据），然后将寄存器CAN_TIxR中的TXRQ位置1，来请求发送。之后该邮箱进入挂 状态，直到成为最高优先级的邮箱后，待总线空闲， 文则马上就会被发送，发送完毕后则该邮箱变为空邮箱。下图是发送邮箱状态图。


• RFLM=1,最后收到的 文会被新的 文覆盖，新的 文被保留下来
• RFLM=0,已经接收到的 文不变，新 文被丢弃。

过滤器

我们前面说过，CAN协议里没有地址区分，也没有主从设备区别，各单元以并联形式连接到总线上，没有高低之分的，信息通过广播的形式发送给总线上的所有接收设备。那么，接收设备如何判断该 文是有效信息还是无效信息呢其实，在CAN中，ID既表示了优先级，同样也表示信息身份。在软件上，我们可以通过判断ID来决定是否接收该消息，但这样就会占用CPU，bxCAN设计目的就是用最小的CPU负荷来处理大量数据，所以STM32为我们提供了标识符过滤器。在stm32f103系列中共有14个可配置的过滤器组，每个过滤器由2个32位寄存器组成，分别是CAN_FxR1和CAN_FxR2，而这两个32位的寄存器又可以配置其位宽为16位还是32位，因此每个过滤器可以提供1个32位过滤器或2个16位过滤器。除此之外，每组过滤器工作模式可以配置为掩码模式或标识符列表模式。
所谓“掩码模式”，其实就相当于关键字检索，把带有符合条件的关键字的 文存入FIFO中，其余的过滤掉。“标识符列表模式”就相当于建立了一个数据库，如果该 文在建立的数据库中能全字匹配找到，则接收 文存入FIFO中，否则舍弃。
具体过滤器位宽配置和过滤器组工作模式关系看下图


回环模式

回环模式框图


bxCAN时序

bxCAN的位时序与CAN协议规定的位时序稍有不同，下图为bxCAN位时序。


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STM32-CAN代码编写要点

实验平台：野火stm32f103霸道开发板（同系列最小系统板也可以，因为是自测模式）
实验目的：利用回环测试模式实现CAN收发，使用CAN中断进行数据的读取

GPIO配置（GPIO不配置同样可以做CAN测试实验）

GPIO部分配置较简单，CAN引脚配置根据官方手册，CAN_Tx引脚配置为复用推挽输出，CAN_Rx引脚配置为浮空输入。这里对引脚进行了重映射，将其映射到PB8和PB9上。注意开启相应时钟。代码如下

CAN模式配置

CAN初始化结构体：

• CAN_Mode 用于配置CAN模式，可选参数如下：
  • CAN_Mode_Normal ，正常模式，回环自测结束后可使用该模式即可与其他设备通信
  • CAN_Mode_LoopBack，回环模式，用于自测
  • CAN_Mode_Silent，静默模式，用于分析CAN总线活动
  • CAN_Mode_Silent_LoopBack，回环静默，可用于自测
• CAN_TTCM 用于设置是否使用时间触发功能，ENABLE 或 DISABLE
• CAN_ABOM 用于设置是否启用自动离线管理功能，单元出错后适时自动恢复，一般使能
• CAN_AWUM 用于设置是否启动自动唤醒功能，一般使能
• CAN_NART 用于设置是否自动重传，即 文发送失败后一直发送。
• CAN_RFLM 用于设置是否锁定接收FIFO,锁定FIFO后，若FIFO填满则丢弃新 文。不锁定FIFO,则丢弃最后接收的 文。
• CAN_TXFP 用于设置 文优先级判断方法，使能则按照 文存放邮箱的先后顺序发送 文，否则按照ID优先级发送 文，一般不使能。
• CAN_BS1 用以设置bxCAN位时序中的BS1段，可选参数有CAN_BS1_1tq~CAN_BS1_16tq
• CAN_BS2 用以设置bxCAN位时序中的BS2段，可选参数有CAN_BS2_1tq~CAN_BS2_8tq
• CAN_SJW 用以设置同步补偿限度，可选参数有CAN_SJW_1tq~CAN_SJW_4tq
• CAN_Prescaler 用以设置CAN时序时钟分频因子

波特率配置（1Mbps）：

• BS1段设置为4tq ,
• BS2段设置为3tq,
• 位时间=1tq+tBS1+tBS2=9tq;
• 设置分频因子CAN_Prescaler =4;
• CAN时钟频率=36M/4=9M, tq=1/(9M),9tq=1/M
• 波特率 = 1/(9tq) = 1Mbps

经过上述分析，该部分代码如下：

过滤器配置

• CAN_FilterActivation 使能过滤器，可配置为ENABLE或DISABLE
• CAN_FilterMode 用于配置过滤器工作模式，有以下参数
  • CAN_FilterMode_IdMask 过滤器工作在掩码模式
  • CAN_FilterMode_IdList 过滤器工作在标识符列表模式
• CAN_FilterScale 用于配置过滤器位宽，可选以下参数
  • CAN_FilterScale_16bit，

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