目录
介绍
物理层编辑
差分信号
总线网络
协议层
CAN的 帧/报文 种类
数据帧
远程帧(遥控帧)
错误帧
过载帧
帧间隔
总线仲裁
位同步
数据同步
波特率
stm32的CAN外设
工作模式
测试模式
功能框图
时序
标准时序
例子 环回静默模式测试
寄存器代码
HAL版本
介绍
一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机(Host)的情况下,允许网络上的单片机和仪器相互通信
它基于消息传递协议,设计之初在车辆上复用通信线缆,以降低铜线使用量,后来也被其他行业所使用
CAN拥有了良好的弹性调整能力,可以在现有网络中增加节点而不用在软、硬件上做出调整。除此之外,消息的传递不基于特殊种类的节点,增加了升级网络的便利性
物理层
- 一个CAN控制器
- 一般MCU提供,stm32内部提供了一个can控制器
- 一个CAN收发器
- 收发器一般需要专门芯片提供,例如PD1050S收发器芯片
- 发数据
- 控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx线发送到收发器
- 收发器会把逻辑电平信号转化为差分信号,通过差分信号线CAN_High和CAN_Low线输出到CAN总线网络
- 收数据
- 收发器把总线上的CAN_High和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
差分传输是一种信号传输的技术,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相同,相位相反,简单来说就是一高一低,互相相反
信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态,插值为-0.5--0.05表示0,插值为1.5--3表示1
在电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。
总线网络
当CAN线上接入多个设备时,就构成了CAN总线网络,根据接法不同,总线网络分2种
- 闭环总线网络
- 速度快,距离近
- 开环总线网络
- 速度慢,距离远
协议层
CAN的 帧/报文 种类
特点:
- CAN总线是广播类型的总线
- 这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文
- 无法将报文单独发送给指定节点
- 所有节点都将始终捕获所有报文
- 但是CAN硬件能够提供本地过滤功能,让每个节点对报文有选择性地做出响应
- CAN使用短报文 – 最大实用负载是94位
- 可以认为报文是通过内容寻址,也就是说,报文的内容隐式地确定其地址
- CAN总线上有5种不同的报文类型
- 数据帧,远程帧,错误帧,过载帧,帧间隔
数据帧
- 数据帧是最常见的报文类型,用于发送单元向接收单元发送数据
- 有标准格式与扩展格式。标准格式有11位标识符,扩展格式有29位标识符
- 仲裁段
- 标识符位
- 长度为11位,ID10~ID0,按照10-0的顺序进行传输
- 是一个动能性的地址,CAN接收器通过标识符来过滤数据帧,表示自己的id
- 不同节点的标识符是不能相同的
- 远程发送请求位
- 用于区分该帧是数据帧还是远程帧
- 显性信号为0表示数据帧,远程帧为1
- ssr位
- 替代RTR,隐性信号
- ide位
- 表示扩展帧还是标准帧
- rtr位
- 表示数据帧还是远程帧
- 标识符位
- 控制段
- ide位
- 区分标准格式与扩展格式
- 显性电平时表示标准格式
- 隐性电平时表示扩展格式
- R1位RO位
- 保留位
- DLC
- 表示报文中的数据段含有多少个字节
- ide位
- 数据段
- 发送的数据,高位先行
- crc段
- 校验码
- 用于校验传输的正不正确
- 硬件自动生成
- 界定符
- 隐性位,表示校验码的结束
- 校验码
- ACK段
- 确认位
- 隐性位
- 接收端收到正确的CRC校验位后,把这一位置为显性位
- 界定符
- 隐性位,表示与后面的帧结束隔开
- 确认位
远程帧(遥控帧)
- 远程帧用于接收单元向具有相同id的发送单元请求发送数据
- 有标准格式与扩展格式。标准格式有11位标识符,扩展格式有29位标识符
- 与数据帧相比没有数据段
- DLC都为0
- 其他和数据帧一样
错误帧
- 错误帧当检测出错误时向其他单元通知错误的帧
- 由硬件自动完成的,没有办法用软件来控制
过载帧
- 过载帧并不常用,因为当今的CAN控制器会非常智能化地避免使用过载帧
- 由硬件自动完成的,没有办法用软件来控制
帧间隔
- 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧
- 由硬件自动完成的,没有办法用软件来控制
总线仲裁
发送接收特点:
- CAN总线处于空闲状态的时候,最先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以继续发送,即首先出现隐形电平的单元失去最总线的占有权变为接收。(即报文id小的优先级高)
- 竞争失败,会自动检测总线空闲,在第一时间再次尝试发送
位同步
CAN提供了位同步的方式来确保通讯时序
一帧包含了很多位,CAN把每一位分为4段,同步段,传播时间段,相位缓冲段1,相位缓冲段2
4段的总时间段构成了位时间,就是传输一个位所需的总时间
位时间通常被分为若干等长的时间单元,称为时间量化器(Tq)
一个Tq的长度可以根据传输速率的需要设置
- 同步段
- 固定1Tq
- 若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在同步段的范围之内,则表示节点与总线的时序是同步的
- 传播时间段
- can总线会受到各种物理延迟
- 比如发送单元的发送延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟等
- 作用是补偿延迟
- 至少1Tq,一般为1-8
- 相位缓冲段1
- 主要用来补偿边沿阶段的误差。
- 它的时间长度在重新同步阶段的时候可以被自动加长
- 一般为1-8Tq
- 相位缓冲段2
- 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阶段时可以缩短
- 一般为2-8Tq
数据同步
根据同步方式差异,CAN的数据同步分为硬同步和再同步
所有同步由硬件自动完成
- 硬同步
- 当一个节点检测到起始位时,它会执行硬同步,以便将其内部的时间基准与数据帧的时间基准对齐
- 在硬同步过程中,控制器的时间基准会立即调整为与检测到的边沿对齐
- 在帧起始段同步
- 再同步
- 在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时(就是发生在同步段)
- 通过延长相位缓冲段1或者缩短相位缓冲段2来获得同步
波特率
各个通讯节点约定好1个Tq 的时间长度以及每一位占据多少个 Tq,就可以确定CAN通讯的波特率。
假设1Tq=1us,而每个数据位由20个Tq组成,就是传输一位要20us,每秒就可以传输50000位,波特率就为50kbps
stm32的CAN外设
STM32的芯片中具有bxCAN控制器,它支持CAN协议2.0A 和2.0B Active标准。
- CAN2.0A只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会织别错误。
- 而CAN2.0 B Active可以处理标准数据帧和扩展数据帧。
- CAN2.0 B Passive只能处理标准数据帧而扩展帧的内容会被忽略
- 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
- 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
工作模式
CAN控制器有3种工作模式:
- 初始化模式
- 正常模式
- 睡眠模式
上电复位后CAN控制器默认会进入睡眠模式,作用是降低功耗。当需要将进行初始的时候(配置寄存器),会进入初始化模式。当需要通讯的时候,就进入正常模式
测试模式
有3种测试模式:
- 静默模式
- 环回模式
- 环回静默模式
当控制器进入初始化模式的时候才可以配置测试模式
- 静默模式可以用于检测总线的数据流量
- 环回模式可以用于自检(影响总线)
- 环回静默也是用于自检,不会影响到总线
功能框图
- 主动内核
- 含各种控制/状态/配置寄存器,可以配置模式、波特率等。在STM32CubeMx中可以非常方便的配置
- 发送邮件
- 用来缓存待发送的报文,最多可以缓存3个报文。发送调度决定报文的发送顺序
- 接收FIFO
- 共有2个接收FIFO,每个FIFO都可以存放3个完整的报文。它们完全由硬件来管理。从而节省了CPU的处理负荷,简化了软件并保证了数据的一致性。应用程序只能通过读取FIFO输出邮箱,来读取FIFO中最先收到的报文
- 接收滤波器
- 做用:对接到的报文进行过滤。最后放入FIFO 0或FIFO 1
- 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
- 有2种过滤模式
- 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
- 掩码模式(屏蔽位模式)
- 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
- 标识符列表模式
时序
标准时序
- 与我们前面解释的 CAN 标准时序有一点区别
- STM32的位时序:把传播时间段和相位缓冲段1做了合并
例子 环回静默模式测试
需求:我们使用环回静默模式测试CAN能否正常工作。把接收到的报文数据发送到串口输出,看是否可以正常工作
寄存器代码
main.c
int main(void)
{
usart1_init();
printf("尚硅谷 CAN 通讯实验: 静默回环 寄存器版\r\n");
CAN_Init();
printf("CAN 初始化配置完成...\r\n");
uint16_t stdId = 0x066;
uint8_t *tData = "abcdefg";
CAN_SendMsg(stdId, tData, strlen((char *)tData));
printf("发送完毕...\r\n");
tData = "123";
CAN_SendMsg(stdId, tData, strlen((char *)tData));
printf("发送完毕...\r\n");
stdId = 0x067;
tData = "xyz";
CAN_SendMsg(stdId, tData, strlen((char *)tData));
printf("发送完毕...\r\n");
/* 1. 接收数据 */
RxDataStruct rxDataStruct[8];
uint8_t rxMsgCount;
CAN_ReceiveMsg(rxDataStruct, &rxMsgCount);
printf("接收完毕 rxMsgCount = %d...\r\n", rxMsgCount);
/* 2. 输出消息 */
uint8_t i;
for (i = 0; i < rxMsgCount; i++)
{
RxDataStruct msg = rxDataStruct[i];
printf("stdId = %d, length = %d, msgData = %s\r\n", msg.stdId, msg.length, msg.data);
}
while (1)
{
}
}
can.h
#ifndef __CAN_H
#define __CAN_H
#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
/**
* @description: 存储接收到的数据
* @return {*}
*/
typedef struct
{
uint16_t stdId;
uint8_t data[8];
uint8_t length;
} RxDataStruct;
void CAN_Init(void);
void CAN_SendMsg(uint16_t stdId, uint8_t *data, uint8_t length);
void CAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[], uint8_t *msgCount);
#endif
can.c
#include "can.h"
/**
* @description: CAN 通讯初始化
*/
void CAN_Init(void)
{
/* 1. 开启时钟 CAN时钟和GPIO时钟 */
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_CAN1EN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;
/* 2. 重定向PB8和PB9引脚 10:CAN_RX映像到PB8,CAN_TX映像到PB9 */
AFIO->MAPR |= AFIO_MAPR_CAN_REMAP_1;
AFIO->MAPR &= ~AFIO_MAPR_CAN_REMAP_0;
/* 3. 初始化GPIO:
PB9(CAN_Tx):复用推挽输出 mode=11 cnf=10
PB8(CAN_Rx): 浮空输入 mode=00 cnf=01
*/
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE9; /* mode = 11 */
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1; /* cnf = 10 */
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE8; /* mode = 00 */
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF8_1; /* cnf = 01 */
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF8_0;
/* 4. 初始化 CAN */
/* 4.1 进入初始化模式 */
CAN1->MCR |= CAN_MCR_INRQ;
while ((CAN1->MSR & CAN_MSR_INAK) == 0) /* 等待进入初始化模式 */
;
/* 4.2 退出睡眠模式 */
CAN1->MCR &= ~CAN_MCR_SLEEP;
while ((CAN1->MSR & CAN_MSR_SLAK) != 0) /* 等待退出睡眠模式 */
;
/* 4.3 自动离线管理。 允许自动退出离线状态 */
CAN1->MCR |= CAN_MCR_ABOM;
/* 4.4 自动唤醒管理。 检测到有报文,可以从睡眠模式由硬件自动唤醒。 */
CAN1->MCR |= CAN_MCR_AWUM;
/* 4.5 配置位时序寄存器 */
/* 4.5.1 静默模式 用于调试 */
CAN1->BTR |= CAN_BTR_SILM;
/* 4.5.2 回环模式 用于调试 */
CAN1->BTR |= CAN_BTR_LBKM;
/* 4.5.3 波特率分频器,定义Tq的长度。
配置35表示36分频,则产生波特率的时钟位1MHz。
Tq = 1us
*/
CAN1->BTR &= ~CAN_BTR_BRP; /* 相应的位均置0 (9:0) */
CAN1->BTR |= 35 << 0;
/* 4.5.4 时间段1(3*Tq)和时间段2(6*Tq) */
CAN1->BTR &= ~CAN_BTR_TS1;
CAN1->BTR &= ~CAN_BTR_TS2;
CAN1->BTR |= (3 << 16);
CAN1->BTR |= (6 << 20);
/* 4.5.5 再同步跳跃宽度 2*Tq*/
CAN1->BTR &= ~CAN_BTR_SJW;
CAN1->BTR |= (2 << 24);
/* 4.6 退出初始化模式 */
CAN1->MCR &= ~CAN_MCR_INRQ;
while ((CAN1->MSR & CAN_MSR_INAK) != 0) /* 等待退出初始化模式 */
;
/* 4.7 配置过滤器: 接收所有消息 */
/* 4.7.1 进入过滤器初始化模式 */
CAN1->FMR |= CAN_FMR_FINIT;
/* 4.7.2 过滤器组0工作模式: 掩码模式 0:掩码模式 1:标识符模式 */
CAN1->FM1R &= ~CAN_FM1R_FBM0;
/* 4.7.2 过滤器组0为单个32位配置 0:2给16位 1:单个32位*/
CAN1->FS1R |= CAN_FS1R_FSC0;
/* 4.7.3 给过滤器组0分配FIFO 0:FIFO0 1:FIFO1. 通过后的报文会放入这个FIFO中*/
CAN1->FFA1R &= ~CAN_FFA1R_FFA0;
/* 4.7.4 设置过滤器组0 标识符寄存器FR1 */
CAN1->sFilterRegister[0].FR1 = 0x00000000; /* id每位都是0 */
/* 4.7.5 设置过滤器组0 屏蔽位寄存器FR2 */
CAN1->sFilterRegister[0].FR2 = 0x00000000; /* 屏蔽位是0,表示不关心ID对应的位。都是0,表示接收所有消息 */
/* 4.7.6 激活过滤器组0 */
CAN1->FA1R |= CAN_FA1R_FACT0;
/* 4.7.7 退出过滤器初始化模式 */
CAN1->FMR &= ~CAN_FMR_FINIT;
}
/**
* @description: 发送消息
* @param {uint16_t} stdId 标准帧id
* @param {uint8_t} *data 要发送的数据
* @param {uint8_t} length 发送的数据的字节数
*/
void CAN_SendMsg(uint16_t stdId,
uint8_t *data,
uint8_t length)
{
if (length > 8)
{
printf("数据长度不能超过8个字节\r\n");
return;
}
/* 1. 等待邮箱0为空 (也可以判断其他邮箱) 0:非空 1:空*/
while ((CAN1->TSR & CAN_TSR_TME0) == 0)
;
/* 2. 使用标准标识符 0:标准标识符 1:扩展标识符 */
CAN1->sTxMailBox[0].TIR &= ~CAN_TI0R_IDE;
/* 3. 0:数据帧 or 1:远程帧 */
CAN1->sTxMailBox[0].TIR &= ~CAN_TI0R_RTR;
/* 4. 设置标准标识符 */
CAN1->sTxMailBox[0].TIR &= ~CAN_TI0R_STID;
CAN1->sTxMailBox[0].TIR |= (stdId << 21);
/* 5. 设置数据长度 */
CAN1->sTxMailBox[0].TDTR &= ~CAN_TDT0R_DLC;
CAN1->sTxMailBox[0].TDTR |= (length << 0);
/* 6. 设置数据 */
uint8_t i;
CAN1->sTxMailBox[0].TDLR = 0; /* 低位寄存器 */
CAN1->sTxMailBox[0].TDHR = 0; /* 高位寄存器 */
for (i = 0; i < length; i++)
{
if (i < 4)
{
CAN1->sTxMailBox[0].TDLR |= (data[i] << (8 * i));
}
else
{
CAN1->sTxMailBox[0].TDHR |= (data[i] << (8 * (i - 4)));
}
}
/* 7. 请求发送数据 */
CAN1->sTxMailBox[0].TIR |= CAN_TI0R_TXRQ;
}
/**
* @description:
* @param {uint16_t} *stdId 读取数据的标准id
* @param {uint8_t} *data 读取到的数据
* @param {uint8_t} *length 读取到的数据的长度
*/
void CAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[], uint8_t *msgCount)
{
/* 1. 获取 FIFO0 中的报文数 */
*msgCount = (CAN1->RF0R & CAN_RF0R_FMP0) >> 0;
uint8_t i, j;
for (i = 0; i < *msgCount; i++)
{
RxDataStruct *msg = &rxDataStruct[i];
/* 2. 读取标准标识符id */
msg->stdId = (CAN1->sFIFOMailBox[0].RIR >> 21) & 0x7FF;
/* 3. 读取数据长度 */
msg->length = (CAN1->sFIFOMailBox[0].RDTR >> 0) & 0x0F;
/* 4. 读取数据 */
memset(msg->data, 0, sizeof((char *)msg->data));
uint32_t low = CAN1->sFIFOMailBox[0].RDLR;
uint32_t high = CAN1->sFIFOMailBox[0].RDHR;
for (j = 0; j < msg->length; j++)
{
if (j < 4)
{
msg->data[j] = (low >> (8 * j)) & 0xFF;
}
else
{
msg->data[j] = (high >> (8 * (j - 4))) & 0xFF;
}
}
/* 5. 释放 FIFO 0. 则报文数减1*/
CAN1->RF0R |= CAN_RF0R_RFOM0;
}
}
HAL版本
main.c
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_CAN_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 1. 配置过滤器 */
CAN_Filter_Config();
/* 2. 启动CAN总线 */
HAL_CAN_Start(&hcan);
/* 3. 发送数据 */
uint16_t stdId = 0x011;
uint8_t *tData = "abcdefg";
CAN_SendMsg(stdId, tData, strlen((char *)tData));
printf("发送完毕...\r\n");
tData = "123";
CAN_SendMsg(stdId, tData, strlen((char *)tData));
printf("发送完毕...\r\n");
/* 4. 接收数据 */
RxDataStruct rxDataStruct[8];
uint8_t rxMsgCount;
CAN_ReceiveMsg(rxDataStruct, &rxMsgCount);
printf("接收完毕 rxMsgCount = %d...\r\n", rxMsgCount);
/* 5. 输出消息 */
uint8_t i;
for (i = 0; i < rxMsgCount; i++)
{
RxDataStruct msg = rxDataStruct[i];
printf("stdId = %d, length = %d, msgData = %s\r\n", msg.stdId, msg.length, msg.data);
}
while (1)
{
}
}
can.h中添加
/* USER CODE BEGIN Prototypes */
typedef struct
{
uint16_t stdId;
uint8_t data[8];
uint8_t length;
} RxDataStruct;
void CAN_Filter_Config(void);
void CAN_SendMsg(uint16_t stdId, uint8_t *data, uint8_t length);
void CAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[], uint8_t *msgCount);
/* USER CODE END Prototypes */
can.c中添加
/* USER CODE BEGIN 1 */
/**
* @description: 配置过滤器
*/
void CAN_Filter_Config()
{
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig;
sFilterConfig.FilterBank = 0; // 过滤器编号, CAN1是0-13, CAN2是14-27
sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; // 采用掩码模式
sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT; // 设置筛选器的尺度, 采用32位
sFilterConfig.FilterIdHigh = 0X0000; // 过滤器ID高16位,即CAN_FxR1寄存器的高16位
sFilterConfig.FilterIdLow = 0X0000; // 过滤器ID低16位,即CAN_FxR1寄存器的低16位
sFilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0X0000; // 过滤器掩码高16位,即CAN_FxR2寄存器的高16位
sFilterConfig.FilterMaskIdLow = 0X0000; // 过滤器掩码低16位,即CAN_FxR2寄存器的低16位
sFilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0; // 设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO
sFilterConfig.FilterActivation = ENABLE; // 是否使能本筛选器
sFilterConfig.SlaveStartFilterBank = 14; // 指定为CAN1分配多少个滤波器组
HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &sFilterConfig);
}
/**
* @description: 发送信息
* @param {uint16_t} stdId
* @param {uint8_t} *data
* @param {uint8_t} length
*/
void CAN_SendMsg(uint16_t stdId,
uint8_t *data,
uint8_t length)
{
/* 1. 检测发送邮箱是否可用 */
while (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan) == 0)
;
CAN_TxHeaderTypeDef txHeader;
txHeader.IDE = CAN_ID_STD; // 标准帧还是扩展帧
txHeader.RTR = CAN_RTR_DATA; // 帧的类型: 数据帧还是远程帧
txHeader.StdId = stdId; // 标准帧的id
txHeader.DLC = length; // 发送的数据长度 单位字节
uint32_t txMailBox; // 会把这次使用的邮箱存入到这个变量
/* 2. 发送消息 */
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &txHeader, data, &txMailBox);
}
/**
* @description: 接收消息
* @param {RxDataType} *
*/
void CAN_ReceiveMsg(RxDataStruct rxDataStruct[], uint8_t *msgCount)
{
/* 1. 检测FIFO0收到的报文个数 */
*msgCount = HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(&hcan, CAN_RX_FIFO0);
/* 2. 遍历出所有消息 */
uint8_t i;
CAN_RxHeaderTypeDef rxHeader;
for (i = 0; i < *msgCount; i++)
{
HAL_CAN_GetRxMessage(&hcan, CAN_RX_FIFO0, &rxHeader, rxDataStruct[i].data);
rxDataStruct[i].stdId = rxHeader.StdId;
rxDataStruct[i].length = rxHeader.DLC;
}
}
/* USER CODE END 1 */