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CAN协议基础知识
I2C.SPI总线多用于短距离传输,协议简单,数据量少,主要用于IC之间的通讯,而 CAN 总线则不同，CAN(Controller Area Network) 总线定义了更为优秀的物理层、数据链路层，并且拥有种类丰富、简繁不一的上层协议。与I2C、SPI有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，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。
CAN物理层的形式主要分为闭环总线及开环总线网络两种，一个适合于高速通讯，一个适合于远距离通讯。CAN闭环通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离网络，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。来做阻抗匹配，以减少回波反射。
闭环总线网络
CAN开环总线网络是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离网络，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
开环总线网络
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，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。
差分信号
差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，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如下优点：
• 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。
• 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。
• 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、以太网协议及CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输。
CAN协议中的差分信号
CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定。以高速CAN协议为例，当表示逻辑1时(隐性电平)，CAN_High和CAN_Low线上的电压均为2.5v，即它们的电压差V H -V L =0V；而表示逻辑0时(显性电平)，CAN_High的电平为3.5V，CAN_Low线的电平为1.5V，即它们的电压差为V H -V L =2V。
CAN 总线的特点
CAN 总线网络是一种真正的多主机网络，在总线处于空闲状态时，任何一个节点单元都可以申请成为主机，向总线发送消息。其原则是：最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权；多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时，将发生仲裁事件，具有高优先级的节点单元将获得总线控制权。
CAN 协议中，所有的消息都以固定的数据格式打包发送。两个以上的节点单元同时发送信息时，根据节点标识符（常称为 ID，亦打包在固定的数据格式中）决定各自优先级关系，所以 ID 并非表示数据发送的目的地址，而是代表着各个节点访问总线的优先级。如此看来，CAN 总线并无类似其他总线“地址”的概念，在总线上增加节点单元时，连接在总线的其他节点单元的软硬件都不需要改变。
CAN 总线的通信速率和总线长度有关，在总线长度小于 40m 的场合中，数据传输速率可以达到 1Mbps，而即便总线长度上升至 1000m，数据的传输速率仍可达到 50Kbps，无论在速率还是传输距离都明显优于常见的 RS232、RS485 和 I2C 总线。
对于总线错误，CAN 总线有错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能三种应对措施，分别应对于下面三点表述：所有的单元节点都可以自动检测总线上的错误；检测出错误的节点单元会立刻将错误通知给其他节点单元；若正在发送消息的单元检测到当前总线发生错误，则立刻强制取消当前发送，并不断反复发送此消息至成功为止。
CAN 总线上的每个节点都可以通过判断得出，当前总线上的错误时暂时的错误（如瞬间的强干扰）还是持续的错误（如总线断裂）。当总线上发生持续错误时，引起故障的节点单元会自动脱离总线。
CAN 总线上的节点数量在理论上没有上限，但在实际上收到总线上的时间延时及电气负载的限制。降低最大通信速率，可以增加节点单元的连接数；反之，减少节点单元的连接数，则最大通信速率可以提高。
CAN总线的数据通信是以数据帧的格式进行的,而数据帧又是由位场组成的,其中每一个位又被划分为四段.即SS(SYNC SEG),PTS(PROP SEG–传播时间段),PBS1(PHASE SEG1–相位缓冲段1),PBS2(PHASE SEG1–相位缓冲段2).
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帧类型
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帧用途 |
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数据帧 |
用于发送单元向接收单元传送数据的帧 |
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遥控帧 |
用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧 |
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错误帧 |
用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧 |
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过载帧 |
用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧 |
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间隔帧 |
用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧 |
数据帧的结构图：
图中D表示显性电平，R表示隐形电平.
ID：高位在前，低位在后。
基本ID，禁止高7位都为隐性，即不能：ID=1111111XXXX。
RTR，远程请求位。0，数据帧；1， 远程帧；
SRR，替代远程请求位。设置为1（隐性电平）；
IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符；
r0，r1：保留位。必须以显现电平发送，但是接收可以是隐性电平。
DLC：数据长度码。0~8，表示发送/接收的数据长度（字节）。
IDE，标识符选择位。0，标准标识符；1，扩展标识符；
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。
STM32中的CAN接口
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。
1. CAN控制内核
2.CAN发送邮箱
3.CAN接收FIFO
4.验收筛选器
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。
STM32至少配备一个bxCAN(basic extend can )控制器,支持2.0A和2.0B协议,最高数据传输速率可达1M bps,支持11位标准帧格式和29位扩展帧格式的接收和发送,具备三个发送邮箱和两个接收FIFO,此wa此外还有三级可编程滤波器,STM32的bxCAN非常适应CAN总线网络y网络应用发展需求,其主要主要特征如下 :
支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式
波特率最高可达1Mbps
支持时间触发通讯功能
数据发送特性:具备三个发送邮箱;发送报文的优先级可以通过软件配置,可记录发送时间的时间戳
数据接收特性:具备三级深度和两个接收FIFO;具备可变的过滤器组,具备可编程标识符列表,可配置FIFO溢出处理方式,记录接收时间的时间戳
报文管理:中断可屏蔽;邮箱单独占有一块地址空间,便于提高软件效率.
本文的实验设计将利用STM32 的bxCAN控制器的环回工作模式,实现bxCAN控制器的自收发过程,并使用串口设备跟踪监视数据收发情况.
程序流程如下图
本程序设计主要围绕bxCAN控制器的初始化初始化配置展开,其要点罗列如下:
1.初始化RCC寄存器,配置PLL输出72MHZ时钟,APB1总线频率为36MHZ,分别打开CAN,GPIO和USART1的设备时钟.
2.设置CAN的Tx引脚(即PA12)为复用推挽模式,并设置Rx引脚(即PA1)为上拉输入模式,其中三个
重要的参数如下配置
CAN_InitStructure.CAN_SJW配置为CAN_SJW_1tq;
CAN_InitStructure.CAN_BS1配置为CAN_BS1_8tq;
CAN_InitStructure.CAN_BS2配置为CAN_BS2_7tq;
3.最后分频数配置为5,配置接受接受缓冲区标识符为0x00AA0000,配置过滤器为32位屏蔽位模式,过滤器屏蔽标识符为0x00FF0000.
4.初始化USART设备
5.使用扩展帧shu帧数据格式,ID为0xAA,数据长度长度为8
STM32的CAN控制器设计的重点集中在CAN寄存器组的初始化过程中,而CAN初始化的重点在于波特率的设置,过滤器的设置和位时序的设置,以下作详细叙述
1.CAN波特率的计算
计算波特率是任何一种总线的zhon重要内容之一,CAN总线也不例外.从STM32微控制器的官方参考手册里可以查找到关于CAN波特率的计算公式如下.
通过配置位时序寄存器CAN_BTR的TS1[3:0]及TS2[2:0]寄存器位设定BS1及BS2段的长度后，就可以确定每个CAN数据位的时间：
BS1段时间：
T S1 =Tq x (TS1[3:0] + 1)，
BS2段时间：
T S2 = Tq x (TS2[2:0] + 1)，
一个数据位的时间：
T 1bit =1Tq+T S1 +T S2 =1+ (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)= N Tq
其中单个时间片的长度Tq与CAN外设的所挂载的时钟总线及分频器配置有关，CAN1和CAN2外设都是挂载在APB1总线上的，而位时序寄存器CAN_BTR中的BRP[9:0]寄存器位可以设置CAN外设时钟的分频值 ，所以：
Tq = (BRP[9:0]+1) x T PCLK
其中的PCLK指APB1时钟，默认值为36MHz。最终可以计算出CAN通讯的波特率：
BaudRate = 1/N Tq
程序设计要点中强调的三个重要参数，其实是can总线物理层中所要求的位时序。共三个阶段，分别为SJW，BS1和BS2阶段，这三个阶段的时间长度都是以长度为tq的时间单元为单位的。这样可以逐步计算出CAN总线的波特率。因此要点提示中所要求的参数，实际上将CAN的波特率设置为450kdps。
过滤器的设置
can总线没有所谓地址的概念。总线上的每个报文都可以被各个节点接收。这是一种典型的广播式网络。在实际应用中。某个节点往往只希望接收到特定类型的数据, 这就要借助过滤器来实现。顾名思义,过滤器的作用就是把节点不希望接收到的数据过滤掉。只将希望接收到的数据给予通行。stm32的CAN控制器，提供14个过滤器。可以设置为屏蔽模式和列表模式对can总线上的报文进行过滤。当节点希望接收到一种报文时。可以用屏蔽位模式对can总线上的报文进行过滤。反之，当节点希望接受到单一类型报文时。则应该配置为列表模式。本机程序中使用了32位的屏蔽位模式。下面仅对这种模式进行解析。can控制器的每个过滤器都具备一个寄存器。称为屏蔽寄存器。其中标识符寄存器的每一位都有屏蔽寄存器的每一位所对应。事实上，这也对应着can数据。事实上，这也对应着看标准数据帧中的标识符段。如下图所示。
此处重点在于屏蔽寄存器的作用。通过查阅stm32微控制器参考文档可以知道。当过滤器工作在屏蔽模式下时。屏蔽寄存器被置为1的每一位都要求can接收到的数据帧标识符段必须和对应的接收缓冲区标识位相同。否则予以滤除。以本程序为例。要点中要求将节点接收缓冲标识符配置为0x00AA0000。过滤器屏蔽标识符为0x00FF0000。
该节点接收到的数据帧的标识符段的位[23:16]，必须和接收缓冲区标识符中的[23:16]匹配。否则予以滤除。但若满足了这一条件而即便如下的位不匹配。则该数据帧仍不会被滤除。正如本程序而言。即can接口仅仅接收标识符段的位[23:16]为0xAA的数据帧.
根据can总线物理层的要求。can总线的波特率和传输距离成反比关系。传输距离变化时，要根据位时序来调整can总线的波特率。
程序代码如下:
void RCC_Config(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE)
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE)
}
void GPIO_for_can_and_uart_Config(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*设置can的RX--pa.11引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*设置can的TX--pa.12引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*设置usart1 的RX 脚 -PA.10为父浮空输入脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}
void Can_Config(void)
{
CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;
CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
CAN_DeInit(CAN1);
CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);
CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_RFIM=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;
CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_LoopBack;
CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;
CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq;
CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_7tq;
CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=5;
CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x00AA<<3;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0x0000;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x00FF<<3;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0x0000;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=0;
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;
CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
}
void main(void)
{
u8 TransmitMailbox=0;
CanTxMsg TxMessage;
CanRxMsg RxMessage;
RCC_Config();
GPIO_for_can_and_uart_Config();
USART_Config();
Can_Config();
TxMessage.ExtId=0x00aa0000;
TxMessage.RTR=CAN_RTR_Data;
TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;
TxMessage.DLC=8;
TxMessage.Data[0]=0x00;
TxMessage.Data[1]=0x12;
TxMessage.Data[2]=0x34;
TxMessage.Data[3]=0x56;
TxMessage.Data[4]=0x78;
TxMessage.Data[5]=0xab;
TxMessage.Data[6]=0xcd;
TxMessage.Data[7]=0xef;
TransmitMailbox=CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);
while((CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox))!=CANTXOK);
printf("\r\nThe CAN has send data :0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,\r\n",
TxMessage.Data[0],TxMessage.Data[1],TxMessage.Data[2],TxMessage.Data[3],
TxMessage.Data[4],TxMessage.Data[5],TxMessage.Data[6],TxMessage.Data[7],);
while((CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)==0));
RxMessage.StdId=0x00;
RxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;
RxMessage.DLC=0;
RxMessage.Data[0]=0x00;
RxMessage.Data[1]=0x12;
RxMessage.Data[2]=0x34;
RxMessage.Data[3]=0x56;
RxMessage.Data[4]=0x78;
RxMessage.Data[5]=0xab;
RxMessage.Data[6]=0xcd;
RxMessage.Data[7]=0xef;
CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);
printf("\r\nThe CAN has received data :0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,0x%x,\r\n",
RxMessage.Data[0],RxMessage.Data[1],RxMessage.Data[2],RxMessage.Data[3],
RxMessage.Data[4],RxMessage.Data[5],RxMessage.Data[6],RxMessage.Data[7],);
while(1);
}
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