一、CAN协议
1.1 CAN协议简介
CAN 是控制器局域网络 (Controller Area Network) 的简称，它是由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发的，并最终成为国际标准(ISO11519以及ISO11898),是国际上应用最广泛的现场总线之一。差异点如下：
1.2 CAN物理层
CAN 通讯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 物理层的形式主要有两种
- 遵循 ISO11898 标准的高速、短距离闭环网络，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
- 是遵循 ISO11519-2 标准的低速、远距离开环网络，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
以TJA1050芯片作为CAN收发器的电路原理图如下图示
差分信号又称差模信号，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，CAN中显性电平（差值为正）对应逻辑 0，隐性电平（差值小于或等于0）对应逻辑 1，显性电平比隐性电平更强
1.3 CAN协议层
CAN 属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，CAN 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、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，一个完整的位由 8~25 个 Tq 组成
| 段名称 | 作用 | Tq数 |
|---|---|---|
| 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 | 1Tq |
| PTS 段 (PROP SEG) | 传播时间段，用于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 | 1~8Tq |
| PBS1 段 (PHASE SEG1) | 相位缓冲段，主要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 | 1~8Tq |
| PBS2 段 (PHASE SEG2) | 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时可以缩短 | 2~8Tq |
- 波特率：总线上的各个通讯节点只要约定好 1 个 Tq 的时间长度以及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 T1bit=19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：1x10次方/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。
- 同步过程：波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，此时就要用到数据位内的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根据对段的应用方式差异， CAN 的数据同步分为硬同步和重新同步。其中硬同步只是当存在帧起始信号时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题
硬同步：CAN节点通过总线发送数据时，会发送一个帧起始信号。而挂载到CAN总线上的节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。如下图，当总线出现帧起始信号时，节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的 SS 段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的 SS 段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了
重新同步：前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步。与硬同步方式相似的是它们都使用 SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的 SS 段把跳变沿包含起来。重新同步分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与 SS 段的相对位置进行区分。
- 相位超前：节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前 2Tq，这时控制器在下一个位时序中的 PBS1 段增加 2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。
- 相位滞后：节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后 2Tq，这时控制器在前一个位时序中的 PBS2 段减少 2Tq 的时间长度，获得同步。
- 报文种类及结构：对数据、操作命令 (如读/写) 以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。CAN 一共规定了 5 种类型的帧
数据帧的结构：数据帧是在 CAN 通讯中最主要、最复杂的报文，它的结构如下图
| 段名称 | 作用 | 备注 |
|---|---|---|
| 帧起始 | SOF，用于通知各个节点将有数据传输 | 1 个数据位（显性电平） |
| 仲裁段 | 决定数据帧发送的优先级，也决定其它节点是否会接收这个数据帧。标准格式11位，扩展格式29位 | RTR位标识是否远程帧（0 数据帧；1 远程帧），IDE位为标识符选择位（0 标准标识符；1 扩展标识符），SRR位为代替远程请求位（隐性位），代替了标准帧中的RTR位 |
| 控制段 | 表示数据段的字节数，由6个位构成 | 标准帧和扩展帧有所不同，r1和r0为保留位，默认为显性位； DLC为数据长度码，由4位组成，表示本报文中的数据段含有多少个字节 |
| 数据段 | 节点要发送的原始信息 | 由 0~8 个字节组成，从最高位（MSB）开始输出 |
| CRC 段 | 用于检查帧传输错误 | 由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符（用于分隔的位）组成 |
| ACK 段 | 用来确认是否正常接收 | 由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2个位组成 |
| 帧结束 | EOF，由发送节点发送的 7 个隐性位表示结束 | 7 个数据位（隐性电平） |
其他报文结构
二、CAN控制器
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；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。框架示意图如下：
STM32 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。框图中主要包含 CAN 控制内核、发送邮箱、接收 FIFO 以及验收筛选器，下面对框图中的各个部分进行介绍。
2.1 CAN控制内核
- 主控寄存器 CAN_MCR：负责管理 CAN 的工作模式
INRQ位：用来控制初始化请求，在CAN初始化时，先设置该位为1，进行初始化，之后再设置该位为0，让CAN进入正常工作模式
- 位时序寄存器 CAN_BTR：用于配置测试模式、波特率以及各种位内的段参数
| 位名称 | 作用 | 备注 |
|---|---|---|
| SILM | 静默模式 | 0：正常工作 1：静默模式 |
| LBKM | 环回模式 | 0：禁止环回模式 1：使能环回模式 |
| SJW | 再同步跳转宽度 | 再同步时最多可将位加长或缩短的时间片数目 |
| TS2 | 时间段2 | 相当于 PBS2 |
| TS1 | 时间段1 | 相当于 PTS + PBS1 |
| BRP | 波特率预分频器 | 用于配置单个时间片的长度 Tq |
CAN波特率的计算公式：只需要知道BS1和BS2的设置，以及APB1的时钟频率，就可以方便的计算出波特率。比如设置TS1=9、TS2=5和BRP=6，在APB1频率为45Mhz的条件下，即可得到CAN通信的波特率=45000/6/(5+9+1)=500Kbps
2.2 CAN发送邮箱
CAN 共有 3 个发送邮箱，即最多可以缓存 3 个待发送的报文。每个发送邮箱中包含有标识符寄存器 CAN_TIxR、数据长度控制寄存器 CAN_TDTxR 及 2 个数据寄存器 CAN_TDLxR、CAN_TDHxR，如下图
当使用 CAN 外设发送报文时，需要把报文的各个段分解，按位置写入到这些寄存器中，并对标识符寄存器 CAN_TIxR 中的发送请求寄存器位 TMIDxR_TXRQ 置 1，即可把数据发送出去。其中标识符寄存器 CAN_TIxR 中的 STDID 寄存器位比较特别。我们知道 CAN 的标准标识符的总位数为 11 位，而扩展标识符的总位数为 29 位的。当报文使用扩展标识符的时候，标识符寄存器 CAN_TIxR 中的 STDID[10:0] 等效于 EXTID[18:28] 位，它与 EXTID[17:0] 共同组成完整的 29位扩展标识符。
- 发送邮箱标识符寄存器 CAN_TIxR
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| STID[10:0]/EXID[28:18] | 标准标识符或扩展标识符的 MSB |
| EXID[17:0] | 扩展标识符的 LSB |
| IDE | 定义邮箱中消息的标识符类型 |
| RTR | 远程发送请求 (Remote transmission request) |
| TXRQ | 发送邮箱请求 |
- 发送邮箱数据长度和时间戳寄存器 CAN_TDTxR
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| TIME[15:0] | 消息时间戳，包含在进行 SOF 发送时所捕获的 16 位定时器值 |
| TGT | 发送全局时间，只有硬件处于时间触发通信模式时，此位才会激活 |
| DLC[3:0] | 定义数据帧或遥控帧请求中的数据字节数 |
- 发送邮箱低字节数据寄存器 CAN_TDLxR
- 发送邮箱高字节数据寄存器 CAN_TDHxR
2.3 CAN接收FIFO
CAN 共有 2 个接收 FIFO，每个 FIFO 中有 3 个邮箱，即最多可以缓存 6 个接收到的报文。当接收到报文时，FIFO 的报文计数器会自增，而 STM32 内部读取 FIFO 数据之后，报文计数器会自减，通过状态寄存器可获知报文计数器的值，而通过前面主控制寄存器的 RFLM 位，可设置锁定模式，锁定模式下 FIFO溢出时会丢弃新报文，非锁定模式下 FIFO 溢出时新报文会覆盖旧报文。跟发送邮箱类似，每个接收 FIFO 中包含有标识符寄存器 CAN_RIxR、数据长度控制寄存器CAN_RDTxR 及 2 个数据寄存器 CAN_RDLxR、CAN_RDHxR，它们的功能见下表
通过中断或状态寄存器知道接收 FIFO 有数据后，我们再读取这些寄存器的值即可把接收到的报文加载到 STM32 的内存中
- 接收FIFO邮箱标识符寄存器 CAN_RIxR
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| STID[10:0]/EXID[28:18] | 标准标识符或扩展标识符的 MSB |
| EXID[17:0] | 扩展标识符的 LSB |
| IDE | 定义邮箱中消息的标识符类型 |
| RTR | 远程发送请求 (Remote transmission request) |
- 接收FIFO邮箱数据长度和时间戳寄存器 CAN_RDTxR
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| TIME[15:0] | 消息时间戳，包含在进行 SOF 发送时所捕获的 16 位定时器值 |
| FMI[7:0] | 筛选器匹配索引 |
| DLC[3:0] | 定义数据帧所包含的数据字节数，远程帧为0 |
- 接收FIFO邮箱低字节数据寄存器 CAN_RDLxR
- 接收FIFO邮箱高字节数据寄存器 CAN_RDHxR
2.4 CAN验收筛选器
CAN 验收筛选器，共有 28 个筛选器组，每个筛选器组有 2 个寄存器，CAN1 和 CAN2 共用筛选器。CAN 协议中，消息的标识符与节点地址无关，但与消息内容有关。因此，发送节点将报文广播给所有接收器时，接收节点会根据报文标识符的值来确定软件是否需要该消息，为了简化软件的工作，STM32 的 CAN 外设接收报文前会先使用验收筛选器检查，只接收需要的报文到 FIFO中。筛选器工作的时候，可以调整筛选 ID 的长度及过滤模式。
根据筛选 ID 长度来分类有有以下两种：
-
检查 STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE 和 RTR 位，共 31 位
-
检查 STDID[10:0]、RTR、IDE 和 EXTID[17:15]，共 16 位
根据过滤的方法分为以下两种模式：
-
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，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。
通过配置筛选模式寄存器 CAN_FM1R 的 FBMx 位可以设置筛选器工作在哪个模式。通过配置筛选尺度寄存器 CAN_FS1R 的 FSCx 位可以设置筛选器工作在哪个尺度。不同的尺度和不同的过滤方法可使筛选器工作在图 的 4 种状态。
每组筛选器包含 2 个 32 位的寄存器，分别为 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2，它们用来存储要筛选的ID 或掩码，各个寄存器位代表的意义与图中两个寄存器下面“映射”的一栏一致，各个模式的说明见表
例如下面的表格所示，在掩码模式时，第一个寄存器存储要筛选的 ID，第二个寄存器存储掩码，掩码为 1 的部分表示该位必须与 ID 中的内容一致，筛选的结果为表中第三行的 ID 值，它是一组包含多个的 ID 值，其中 x 表示该位可以为 1 可以为 0。
而工作在标识符模式时，2 个寄存器存储的都是要筛选的 ID，它只包含 2 个要筛选的 ID 值 (32位模式时)。如果使能了筛选器，且报文的 ID 与所有筛选器的配置都不匹配，CAN 外设会丢弃该报文，不存入接收 FIFO。
- 过滤器模式寄存器 CAN_FM1R
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| FBMx | 0：筛选器存储区 x 的两个 32 位寄存器处于标识符屏蔽模式。1：筛选器存储区 x 的两个 32 位寄存器处于标识符列表模式。 |
- 过滤器尺度寄存器 CAN_FS1R
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| FSCx | 0：双 16 位尺度配置；1：单 32 位尺度配置 |
- 过滤器FIFO分配寄存器 CAN_FFA1R
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| FFAx | 筛选器 x 的筛选器 FIFO 分配，通过此筛选器的消息将存储在指定的 FIFO 中 |
- 过滤器激活寄存器 CAN_FA1R
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| ACTx | 筛选器激活，软件将此位置 1 可激活筛选器 x |
- 过滤器组i的寄存器x CAN_FiRx
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| FB[31:0] | 筛选器位 |
介绍完了CAN的基础知识，将在后续文章中介绍STM32芯片的CAN通信实例