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Can通信

学习资料:

前言

LAN（即局域网）是最常见且应用最为广泛的一种网络，它是指在1~5公里范围内两台以上的计算机设备（如服务器、工作站）通过线缆（如同轴线缆、双绞线、光缆等）连接起来实现的资源共享的计算机网络，如家庭、办公室、学校或者有计算机、服务器和外围设备（如打印机、扫描仪、投影仪以及其他存储）的建筑群。

目前，以太网（IEEE 802.3 标准）是最常见的局域网组网方式，近年来随着802.11标准的制定，IEEE802.11a/b/g/n等无线协议得到广泛应用，无线局域网的应用也越来越普及，此外，LAN（局域网）类型还有令牌环和FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）。

差分数据传输可以有效减少外界电磁噪声对信号的干扰，尤其是共模噪声，当总线受到干扰时，两根总线会同时受影响，但其差分电压并不会受影响

双绞线由两根相互绝缘的导线相互缠绕而成，特别适合差分信号传输场合，与平行线相比，双绞线不仅可以降低自身对外界的干扰，同时可以消除与外界干扰源的电容耦合和感应耦合，因此CAN通讯中经常使用双绞线进行数据传输

CAN的简介

CAN（Controller Area Network），是ISO国际标准化的串行通信协议

  • 低速CAN(ISO11519)通信速率10~125Kbps，总线长度可达1000米

  • 开环总线

  • 高速CAN(ISO11898)通信速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米

  • 闭环总线 -- 有终端电阻，用于阻抗匹配，以减少回波反射

  • CAN FD 通信速率可达5Mbps，并且兼容经典CAN，遵循ISO 11898-1 做数据收发

CAN_Struct

CAN总线由两根线（ CANL 和 CANH ）组成，允许挂载多个设备节点

CAN总线的特点

  1. 多主控制 每个设备都可以主动发送数据
  2. 系统的柔软性 没有类似地址的信息，添加设备不改变原来总线的状态
  3. 通信速度 速度快，距离远
  4. 错误检测&错误通知&错误恢复功能
  5. 故障封闭 判断故障类型，并且进行隔离
  6. 连接节点多 速度与数量找个平衡

CAN总线协议已广泛应用在汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面

本文以高速CAN作为讲解

CAN的通信原理

要想进行Can通信 必须要有专门的CAN收发芯片

CAN使用差分信号进行数据传输，根据CAN_H和CAN_L上的电位差来判断总线电平，总线电平分为显性电平(逻辑0)和隐性电平(逻辑1)，二者必居其一，显性电平具有优先权。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

Can_Connect

单片机发送给Can收发器的是普通信号(0--低电平，1--高电平)，但经过Can收发器后，变成了差分信号，差分信号是用两根线表示一个信号，CAN High和CAN LOW

  • 当单片机给CAN收发器一个 低电平时 --> CAN HIGH输出3.5V CAN LOW输出1.5V 差值2V 表示低电平 逻辑0 -- 显性电平

  • 当单片机给CAN收发器一个 高电平时 --> CAN HIGH输出2.5V CAN LOW输出2.5V 差值0V 表示高电平 逻辑1 -- 隐性电平

CAN_ElectricalLecel

电平 高速CAN 低速CAN
显性电平（0） UCAN_H – UCAN_L= 2V UCAN_H – UCAN_L = 3V
隐性电平（1） UCAN_H – UCAN_L = 0V UCAN_H – UCAN_L = - 1.5V

同样的CAN收发器也可以把收到的差分信号，转换成普通的电平信号，传输给单片机

这样使用差分信号的是两根线共同作用，并且是双绞线缠绕这样即使是收到干扰，也是两根线同时收到干扰，它们的压差也会保持不变，这样就可以保证传输的信号不受干扰，传输距离很长，可达1000米(低速)

CAN协议层

CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

帧类型 帧作用
数据帧（Data Frame） 用于发送单元向接收单元传输数据的帧
遥控帧（Remote Frame） 用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
错误帧（Error Frame） 用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧
过载帧（Overload Frame） 用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧（Inter Frame Space） 用于将数据帧 及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

数据帧和遥控帧最大的区别在于有没有数据段

CAN的数据帧

数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)，主要体现在仲裁段和控制段

Can_DataFrames

起始位(1位): 逻辑0 -- 显性信号

识别码(11位)：通过识别码就可以知道这一帧数据发送给哪一个设备，每一个设备都有属于自己的11位识别码

RTR位(1位)：用来区分数据帧(0)或者远程请求帧(1)

控制码(6位)：是用来控制长度的

  • 第一位 IDE位，用来区分标准格式和扩展格式
  • 在标准格式中有11位识别码

  • 在扩展格式中有29位识别码

  • 第二位 预留位 也是空闲(保留)位--逻辑0 -- 显性信号

  • 接下来4位是 DLC位 -- DLC即数据长度代码
  • 当DLC为 0001 时 后面跟 1个字节的代码
  • 当DLC为 0010 时 后面跟 2个字节的代码
  • 当DLC为 0011 时 后面跟 3个字节的代码
  • ···
  • 当DLC为 1000 时 后面跟 8个字节的代码

CRC(16位)：循环冗余校验位，是为了确保数据的准确性而设置的

  • 15位CRC校验码 设备接收端会根据数据计数出它的CRC位，如果计算出来的和接收到的CRC不一致，说明数据存在问题，就会发送设备就会重新发送一遍数据帧
  • 第16位是CRC的界定符就是DEL位，是逻辑1 -- 隐性信号，是为了把后面的信息隔开

ACK(2位)：应答位

  • 第一位是ACK确认槽，发送端发送的是逻辑1，接收端回复逻辑0来表示应答
  • 第二位是ACK界定位也就是DEL位，一定是逻辑1 -- 隐性信号，作用是把后面的数据隔开

结束位(7位)：7位都是逻辑1 -- 隐性信号，表示数据帧传输结束

CAN的位时序介绍

CAN总线以==“位同步”==机制，实现对电平的正确采样。位数据都由四段组成：

  • 同步段(SS) ：它的作用就是判断 节点 与 总线 的时序是否一致
  • 传播时间段(PTS) ：用于补偿网络的延时时间
  • 相位缓冲段1(PBS1) ： 用来补偿阶段的误差
  • 相位缓冲段2(PBS2) ： 用来补偿阶段的误差

每段由多个位时序Tq组成，Tq可以理解为时间单位，我们可以规定其大小，一般是 1Tq = 1us

CAN_BitAlignment

  • 采样点是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点

  • 注意 :只有 节点监测到总线上信号的跳变在SS段范围内，才 表示节点与总线的时序是同步，此时采样点的电平即该位的电平。

  • 根据位时序，就可以计算CAN通信的 波特率= 1/正常的位时间 可跳转到CAN控制器的时序图学习

CAN的数据同步

由于时钟频率误差、传输上的相位延迟引起偏差会导致数据不同步，CAN为了实现对总线电平信号的正确采样，采取数据同步，数据同步分为硬件同步和再同步

硬件同步

由于CAN通讯协议并没有时钟信号线，所以各个节点之间要约定好特定的波特率进行通讯， 节点通过CAN总线发送数据，一开始发送帧起始信号。总线上其他节点会检测帧起始信号在不在位数据的SS段内，判断内部时序与总线是否同步。假如不在SS段内，这种情况下，采样点获得的电平状态是不正确的。所以，节点会使用硬件同步方式调整， 把自己的SS段平移到检测到边沿的地方，获得同步，同步情况下，采样点获得的电平状态才是正确的。

硬件同步就是在监测到帧起始位的时候 -- 视为SS同步段 所以 硬件同步的坏处就是 必须有帧起始信号(当然了 我觉得起始信号本来就是必须的)

CAN_HardwareSynchro

再同步

再同步利用普通数据位的边沿信号（帧起始信号是特殊的边沿信号）进行同步。再同步的方式分为两种情况：超前和滞后，即边沿信号与SS段的相对位置。

超前: 即边沿信号 出现在 SS之前

CAN_ResynchroAhead

滞后: 即边沿信号 出现在SS之后

CAN_ResynchroHysteresis

再同步时，PSB1和PSB2中增加或者减少的时间被称为“再同步补偿宽度（SJW）”,其范围：1~4 Tq，限定了SJW值后，再同步时，不能增加限定长度的SJW值。SJW值较大时，吸收误差能力更强，但是通讯速度会下降。

CAN总线仲裁

CAN总线处于空闲状态(隐性电平)，最先开始发送消息的单元获得发送权

多个单元同时开始发送时，从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送，即首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权变为接收。(至于为什么是 显性 我觉得可同I2C理解 即因硬件电路原因 总线有0则全体被拉低)

CAN_Arbitration

竞争失败单元，会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送

STN32之CAN控制器

STM32 CAN控制器（bxCAN 是基本扩展CAN(Basic Extended CAN)的缩写），支持CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active版本协议，它的设计 目标是，以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文，它也支持报文发送的优先级要求(优先 级特性可软件配置)

CAN 2.0A 只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会识别错误，而CAN 2.0B Active 可以处理标准数据帧和扩展数据帧，CAN 2.0B Passive只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会忽略。

bxCAN主要特点：

  • 波特率最高可达1M bps
  • 支持时间触发通信（CAN的硬件内部定时器可以在TX/RX的帧起始位的采样点位置生成时间戳）
  • 具有3级发送邮箱
  • 具有3级深度的2个接收FIFO
  • 可变的过滤器组（也就是滤波器/筛选器 最多28个 - F103有14个 F407有28个）

CAN控制器的==工作模式==有三种：初始化模式、正常模式 和 睡眠模式。

STM32_CANMode

CAN控制器的==测试模式==有三种：静默模式、环回模式 和 环回静默模式

CAN的测试模式是在初始化模式下进行配置的

STM32_CANDetectionMode

CAN控制器的框图

  1. CAN内核 -- 包含各种控制/状态/配置寄存器，可以配置模式、波特率等
  2. 发送邮箱 -- 用来缓存待发送的报文，最多可以缓存3个报文
  3. 接收FIFO -- 缓存接收到的有效报文
  4. 接收过滤器 -- 筛选有效报文

STM32_CANStruct

CAN发送/接收流程

发送流程: 发送优先级由邮箱中报文的标识符决定。标识符数值越低有最高优先级。如果标识符值相同，邮箱小的先被发送

STM32_CANSend

接收流程：有效报文指的是（数据帧直到EOF段的最后一位都没有错误），且通过过滤器组对标识符过滤。

STM32_CANRecv

CAN的接收过滤器

当总线上报文数据量很大时，总线上的设备会频繁获取报文，占用CPU。过滤器的存在，选择性接收有效报文，减轻系统负担。

每个过滤器组都有两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2。根据过滤器组的工作模式不同，寄存器的作用不尽相同。工作模式由位宽和选择模式决定，位宽可设置32位或16位，寄存器存储的内容就有所区别

过滤器组Reg 32位 16位（寄存器由两部分组成）
CAN_FxR1 STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE、RTR STDID[10:0]、EXTID[17:15]、IDE、RTR
CAN_FxR2 STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE、RTR STDID[10:0]、EXTID[17:15]、IDE、RTR

选择模式可设置屏蔽位模式或标识符列表模式，寄存器内容的功能就有所区别。

  • 屏蔽位模式，可以选择出一组符合条件的报文。寄存器内容功能相当于是否符合条件 -- 关键词搜索
  • 标识符列表模式，可以选择出几个特定ID的报文。寄存器内容功能就是标识符本身 -- 特定名单

STM32_CANReg

上图哥们暂时没理解啊 未待完续

STM32_CANRecvFilter

  • 屏蔽位寄存器中位值为1，表示与ID要必须匹配；位值为0，表示可不与ID匹配。
  • 在使能过滤器情况下，总线上广播的报文ID与过滤器的配置都不匹配，CAN控制器会丢弃该报文，不会进入到接收FIFO中。
  • 注意：标识符选择位IDE和帧类型RTR需要一致。不同过滤器组的工作模式可以设置为不同。(也就是 屏蔽F0R2的IDE和RTR上置一 最好)

CAN控制器的时序图{#CANTIME}

STM32的CAN外设位时序分为三段：

  • 同步段 SYNC_SEG
  • 时间段1 BS1 -- 这一段 包括了 上文说的 传播时间段(PTS) + 相位缓冲段1(PBS1)
  • 时间段2 BS2

STM32_CANBaudRate

\[波特率 = \cfrac {1}{1tq+tq \times(TS1[3:0]+1)+tq \times (TS2[2:0] + 1) }\]

举例:

  • STM32F103，设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps。 (36000 是由 1/tPCLK 来的)

  • STM32F407，设TS1=6、TS2=5、BRP=5，波特率 = 42000 / [( 7 + 6 + 1 ) * 6] = 500Kbps。 (42000 是由 1/tPCLK 来的)

注意：通信双方波特率需要一致才能通信成功

CAN的相关寄存器

寄存器 名称 作用
CAN_MCR CAN主控制寄存器 主要负责CAN工作模式的配置
CAN_BTR 位时序寄存器 用来设置分频/TBS1/TBS2/TSWJ等参数，设置测试模式
CAN_(T/R)IxR 标识符寄存器 存放(待发送/接收)的报文ID、扩展ID、IDE位及RTR位
CAN_(T/R)DTxR 数据长度和时间戳寄存器 存放(待发送/接收)报文的DLC段
CAN_(T/R)DLxR 低位数据寄存器 存放 (待发送/接收)报文数据段的Data0~Data3的内容
CAN_(T/R)DHxR 高位数据寄存器 存放 (待发送/接收)报文数据段的Data4~Data7的内容
CAN_FM1R 过滤器模式寄存器 用于设置各过滤器组的工作模式
CAN_FS1R 过滤器位宽寄存器 用于设置各过滤器组的位宽
CAN_FFA1R FIFO关联寄存器 用于设置报文通过过滤器后，被存入的FIFO
CAN_FA1R 过滤器激活寄存器 用于开启对应的过滤器组
CAN_FxR(1/2) 过滤器组x寄存器 根据位宽和模式设置不同，CAN_FxR1和FxR2功能不同

CAN的HAL库驱动

驱动函数 关联寄存器 功能描述
__HAL_RCC_CANx_CLK_ENABLE(…) 使能CAN时钟
HAL_CAN_Init(…) MCR / BTR 初始化CAN
HAL_CAN_ConfigFilter(…) 过滤器寄存器 配置CAN接收过滤器
HAL_CAN_Start(…) MCR / MSR 启动CAN设备
HAL_CAN_ActivateNotification(…) IER 使能中断
__HAL_CAN_ENABLE_IT(…) IER 使能CAN中断允许
HAL_CAN_AddTxMessage(…) TSR/TIxR/TDTxR/TDLxR/TDHxR 发送消息
HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(…) TSR 等待发送完成
HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(…) RF0R/RF1R 等待接收完成
HAL_CAN_GetRxMessage(…) RF0R/RF1R/RDLxR/RDHxR 接收消息

CAN外设相关重要结构体：CAN_InitTypeDef、CAN_FilterTypeDef和CAN_(T/R)xHeaderTypeDef

  • CAN_InitTypeDef can 初始化结构体，用于配置 CAN 的工作模式、波特率等等
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typedef struct
{
 uint32_t Prescaler; /* 分频值，可以配置为 1~1024 间的任意整数 */
 uint32_t Mode; /* can 操作模式，有效值参考 CAN_operating_mode 的描述 */
 uint32_t SyncJumpWidth; /* CAN 硬件的最大超时时间 */
 uint32_t TimeSeg1; /* CAN_time_quantum_in_bit_segment_1 时间段1(BS1)长度*/
 uint32_t TimeSeg2; /* CAN_time_quantum_in_bit_segment_2 时间段1(BS1)长度*/
 FunctionalState TimeTriggeredMode; /* 启用或禁用时间触发模式 */
 FunctionalState AutoBusOff; /* 禁止/使能软件自动断开总线的功能 */
 FunctionalState AutoWakeUp; /* 禁止/使能 CAN 的自动唤醒功能 */
 FunctionalState AutoRetransmission; /* 禁止/使能 CAN 的自动传输模式 */
 FunctionalState ReceiveFifoLocked; /* 禁止/使能 CAN 的接收 FIFO */
 FunctionalState TransmitFifoPriority; /* 禁止/使能 CAN 的发送 FIFO */
} CAN_InitTypeDef;
  • CAN_FilterTypeDef是过滤器的结构体，这个是根据 STM32 的 CAN 过滤器模式设置的一些配置参数,我们通过配置过滤器，通过过滤器组的报文，即可从关联的 FIFO 的输出邮箱中获取
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typedef struct
{
 uint32_t FilterIdHigh; /* 过滤器标识符高位 */
 uint32_t FilterIdLow; /* 过滤器标识符低位 */
 uint32_t FilterMaskIdHigh; /* 过滤器掩码号高位（列表模式下，也是属于标识符） */
 uint32_t FilterMaskIdLow; /* 过滤器掩码号低位（列表模式下，也是属于标识符） */
 uint32_t FilterFIFOAssignment; /* 与过滤器组管理的 FIFO */
 uint32_t FilterBank; /* 指定过滤器组，单 CAN 为 0~13，双 CAN 可为 0~27 */
 uint32_t FilterMode; /* 过滤器的模式 标识符屏蔽位模式/标识符列表模式 */
 uint32_t FilterScale; /* 过滤器的位宽 32 位/16 位 */
 uint32_t FilterActivation; /* 禁用或者使能过滤器 */
 uint32_t SlaveStartFilterBank; /* 双 CAN 模式下，规定 CAN 的主从模式的过滤器分配 */
} CAN_FilterTypeDef;
  • CAN_TxHeaderTypeDef是 CAN 发送的结构体，它的结构如下, 注意: 当标识符选择位 IDE 为 CAN_ID_STD 时，表示本报文是标准帧，使 用 StdId 成员存储报文 ID；当它的值为 CAN_ID_EXT 时，表示本报文是扩展帧，使用 ExtId 成 员存储报文 ID
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typedef struct
{
 uint32_t StdId; /* 标准标识符 11 位 范围:0~0x7FF */
 uint32_t ExtId; /* 扩展标识符 29 位 范围:0~0x1FFFFFFF */
 uint32_t IDE; /* 标识符类型 CAN_ID_STD / CAN_ID_EXT */
 uint32_t RTR; /* 帧类型 CAN_RTR_DATA / CAN_RTR_REMOTE */
 uint32_t DLC; /* 帧长度 范围:0~8byte */
 FunctionalState TransmitGlobalTime; /* 时间戳是否在开始时捕获 */
} CAN_TxHeaderTypeDef;
  • CAN_RxHeaderTypeDef是 CAN 接收的结构体，它的结构如下,同样的，也是通过 IDE 位确认该消息报文的标识符类型，该结构体不同 于发送结构体还有一个过滤器匹配序号成员，可以查看到是此报文是通过哪里过滤器到达接收 FIFO
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typedef struct
{
 uint32_t StdId; /* 标准标识符 11 位 范围:0~0x7FF */
 uint32_t ExtId; /* 扩展标识符 29 位 范围:0~0x1FFFFFFF */
 uint32_t IDE; /* 标识符类型 CAN_ID_STD / CAN_ID_EXT */
 uint32_t RTR; /* 帧类型 CAN_RTR_DATA / CAN_RTR_REMOTE */
 uint32_t DLC; /* 帧长度 范围:0~8byte */
 uint32_t Timestamp; /* 在帧接收开始时开始捕获的时间戳 */
 uint32_t FilterMatchIndex; /* 过滤器匹配序号 */
} CAN_RxHeaderTypeDef;

CAN硬件电路

我使用的开发板是STM32F407，CAN的收发器芯片是SIT1050T，SIT1050T 支持高速CAN，传输速率可达1Mbps，5V供电

SIT1050T引脚 引脚说明
D CAN发送引脚
R CAN接收引脚
CANL 低电位CAN电压输入输出端
CANH 高电位CAN电压输入输出端
Vref 参考电压输出
RS 高速/静音模式选择(低电平为高速)

STM32F407_CANHardware

最后更新: November 4, 2023
创建日期: November 4, 2023

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