STM32个人笔记-CAN总线通讯

​​​​​ 大四实习那年记忆颇深，进入一家公司当嵌入式软件工程师实习生，项目正是船载通讯，学习的内容一部分正是CAN和J1939。虽然实习期间匆匆忙忙缝缝补补，但现在还是按着流程学一遍。

目录

CAN物理层：闭环总线和开环总线。

闭环总线网络

开环总线网络

通讯节点 

差分信号（差模信号）

CAN协议层

位时序分解

CAN的报文

CAN外设

CAN_BTR寄存器

CAN结构体

CAN_InitTypeDef初始化结构体

CANTxMsg发送结构体

CANRxMsg接收结构体

CAN_FilterInitTypeDef筛选器结构体

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CAN协议广泛用于汽车控制服务行业。

CAN物理层：闭环总线和开环总线。

异步通讯，半双工（只有一双差分线，在一个时刻只能表示一个信号），CAN_High和CAN_Low，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯（CAN的可靠性主要来源）。

闭环总线网络

适用于高速短距离通讯。总线最大长度为40M，通信速度最高1Mbps（并非很高，多用汽车行业），总线两端各要求有一个“120欧”的电阻。120欧是因为电缆的特性阻抗为120欧，主要为了模拟无限远的传输线。

开环总线网络

适用于低速远距离通讯。总线最大长度为1KM，通信速度最高125kbps，两端总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联一个“2.2千欧”的电阻。

通讯节点 

CAN总线上可以挂载多个通讯节点，节点之间的信号经过总线传输，实现节点间通讯。由于CAN通讯协议不对节点进行地址编码，而是对数据内容进行编码，所以网络中的节点个数理论上不受限制，只要总线的负载足够即可，可以通过中继器增强负载。

CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成，控制器和收发器之间通过CAN_Tx和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和CAN_Rx信号线使用普通的类似TTL逻辑信号，而CAN_High及CAN_Low信号线是一对差分信号线，使用比较特别的差分信号。

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，收发器把总线上收到的CAN_High和CAN_Low信号转换成普通的逻辑电平信号，通过CAN_Rx输出到控制器中。

差分信号（差模信号）

使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1。

相对于单信号线传输的方式，使用差分信号传输具有以下优点：

抗干扰性强。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，所有外界的共模噪声可以被完全抵消。

能有效抑制它对外部的电磁干扰。由于两根信号的极性相反，它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。

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。

由于差分信号线具有这些优点，所以在USB协议、485协议、以太网协议和CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

在CAN总线中，必须使它处于隐性电平（逻辑1）或显性电平 （逻辑0）中的其中一个状态。

假如有两个CAN通讯节点，在同一时间，一个节点输出隐性电平，另一个输出显性电平，类似于I2C总线的"线与"特性将使它处于显性电平状态。

显性电平的名字就是这样来的，即可以认为显性具有优先的意味。

在CAN的通讯网络中，因为共用总线，在整个网络中同一时刻只能有一个通讯节点发送信号，其余的节点在该时刻都只能接收。

CAN协议层

节点间除了使用约定好的波特率进行通讯，也会使用“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。

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段和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。

信号的采样点位于PBS1段和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。

SS段（SYNC SEG，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，当节点和总线同步时，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。

PTS段（PROP SER，传播时间段）。用来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。这概念看看就行，在STM32中，PTS段和PBS1段合在一起的。

PBS1段（PHASE SER1，相位缓冲段）。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。这概念看看就行，在STM32中，PTS段和PBS1段合在一起的。

PBS2段（PHASE SER2，相位缓冲段）。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缩短。PBS1段的初始大小可以为2~8Tq。

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

例如，假设上图中的1Tq=1us，而每个数据位由19个Tq组成，则传输一位数据需要时间T1=19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：1*16^6/19=52631.6（bps），这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

CAN的报文

当使用CAN协议进行通讯时，需要对数据、操作命令（如读/写）和同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。

在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选（识别）标签和控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签。把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号，各种各样的标签就如同SPI中各种通道上的信号，起到了协调传输的作用。当整个数据包被传输到其他设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据，这样的报文就被称为CAN的“数据帧”。

为了更有效地控制通讯，CAN一共规定了5种类型的帧。

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。

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

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。仲裁段的主要内容为本数据帧的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，扩展格式ID是在标准格式ID的基础上多出18位。

在CAN协议中，ID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，可给它打包成一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。

RTR位（Remote Transmission Request Bit，远程传输请求位）。用于区分数据帧和遥控帧。当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。

IDE位（ID Extension Bit，标识符扩展位）。用于区分标准格式和扩展格式。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。

SRR位（Substitute Remote Request Bit）。只存在于扩展格式，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。

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，数据长度码），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。

数据段。由0~8个字节组成，MSB先行。

CAN外设

STM32芯片中具有bxCAN（Basic Extended CAN），它支持CAN协议2.0A和2.0B标准。

外设中有三个发送邮箱，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；

具有两个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。

STM32的CAN外设位时序中只包含3段，同步段SYNC_SEG、位段BS1和位段BS2。采样点位于BS1和BS2的交界处。

BS1和BS2段的时间长度可由位时序寄存器CAN_BTR：TS2、TS1设置。BS1和BS2段的时间长度可以在重新同步期间增长或缩短，可由位时序寄存器CAN_BTR：SJW配置。

CAN_BTR寄存器

 

 

假设：BS1段设置为5Tq，BS2段设置为3Tq，Tpclk=1/36M，CAN外设时钟分频设置为4分频。

则Tq=4*1/36M=1/9M，T_1bit=1Tq+5Tq+3Tq=9Tq，波特率=1/NTq=1/（1/9M * 9）=1Mbps。

CAN结构体

CAN_InitTypeDef初始化结构体

typedef struct{
    uint16_t        CAN_Prescaler;    //CAN外设的时钟分频，可设置为1-1024
    uint8_t         CAN_Mode;         //工作模式，回环或正常模式
    uint8_t         CAN_SJW;          //SJW极限值
    uint8_t         CAN_BS1;          //BS1段长度
    uint8_t         CAN_BS2;          //BS2段长度
    
    FunctionalState CAN_TTCM;         //是否使能TTCM时间触发功能
    FunctionalState CAN_ABOM;         //是否使能ABOM自动离线管理功能
    FunctionalState CAN_AWUM;         //是否使能AWUM自动唤醒功能
    FunctionalState CAN_NART;         //是否使能NART自动重传功能
    FunctionalState CAN_RFLM;         //是否使能RFLM锁定FIFO功能
    FunctionalState CAN_TXFP;         //配置TXFP报文优先级的判定条件
}CAN_InitTypeDef;

时间触发功能在某些CAN标准中会使用到。

使用自动离线管理可以在节点出错离线后适时自动恢复，不需要软件干预。

使能自动唤醒功能后它会在监测到总线活动后自动唤醒。

使用自动重传功能，会一直发送报文直到成功为止。

锁定FIFO后，若FIFO溢出时会丢弃新数据，否则在FIFO溢出时以新数据覆盖旧数据。

CAN_TXFP使能时，以报文存入发送邮箱的先后顺序来发送，否则按照报文ID的优先级来发送。

CANTxMsg发送结构体

typedef struct{
    uint32_t        StdId;        //标准标识符11位，0~0x7FF
    uint32_t        ExtId;        //扩展标识符29位，0~0x1FFFFFFF
    uint8_t         IDE;          //存储IDE扩展标志
    uint8_t         RTR;          //存储RTR远程帧标志
    uint8_t         DLC;          //存储报文数据段的长度，0~8
    uint8_t         Data[8];      //存储报文数据段的内容
}CanTxMsg;

IDE选择宏：CAN_Id_Standard、CAN_Id_Extended。根据宏选择StdId或ExtId。

RTR选择宏：CAN_RTR_Data、CAN_RTR_Remote。由于遥控帧没有数据段，所以当RTR选择CAN_RTR_Remote时，Data[8]成员的内容是无效的。

CANRxMsg接收结构体

typedef struct{
    uint32_t        StdId;        //标准标识符11位，0~0x7FF
    uint32_t        ExtId;        //扩展标识符29位，0~0x1FFFFFFF
    uint8_t         IDE;          //存储IDE扩展标志
    uint8_t         RTR;          //存储RTR远程帧标志
    uint8_t         DLC;          //存储报文数据段的长度，0~8
    uint8_t         Data[8];      //存储报文数据段的内容
    uint8_t         FMI;          //存储了本报文是由经过筛选器存储进FIFO的，0~0xFF
}CanRxMsg;

FMI，存储了筛选器的编号，表示本报文是经过哪个筛选器存储进接收FIFO的，可以用它简化软件处理。

CAN_FilterInitTypeDef筛选器结构体

typedef struct{
    uint16_t        CAN_FilterIdHigh;            //CAN_FxR1寄存器的高16位
    uint16_t        CAN_FilterIdLow;             //CAN_FxR1寄存器的低16位
    uint16_t        CAN_FilterMaskIdHigh;        //CAN_FxR2寄存器的高16位
    uint16_t        CAN_FilterMaskIdLow;         //CAN_FxR2寄存器的低16位
    uint16_t        CAN_FilterFIFOAssignment;    //设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO
 
    uint8_t         CAN_FilterNumber;            //筛选器编号
    uint8_t         CAN_FilterMode;              //筛选器模式
    uint8_t         CAN_FilterScale;             //设置筛选器的尺度
    FunctionalState CAN_FilterActivation;        //是否使能本筛选器
}CAN_FilterInitTypeDef;

CAN_FilterFIFOAssignment选择宏：CAN_Filter_FIFO0、CAN_Filter_FIFO1。

CAN_FilterMode选择宏：CAN_FilterMode_IdList、CAN_FilterMode_IdMask。

CAN_FilterScale选择宏：CAN_FilterScale_32bit、CAN_FilterScale_16bit。

CAN OPEN在汽车行业用的比较多，有空可以学习一下。