18.1 CAN協(xié)議

18.1.1 協(xié)議概述

CAN是Controller Area Network的縮寫，最初是專門用于汽車網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，與485協(xié)議相似，CAN也是一種2線制，采用兩根線的電壓差進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，隨著CAN協(xié)議的高性能與可靠性被認同，現(xiàn)在被廣泛運用在工業(yè)自動化，船舶等當(dāng)面，目前最熱門的國六標準，J1939通信協(xié)議就是以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計的。

CAN協(xié)議最遠通信距離可達10km，與485相似，CAN也有兩種電平，分別為顯性電平與隱性電平，當(dāng)CAN_H與CAN_L電壓一致的時候為隱性電平，反之為顯性電平。實際上隱性電平代表邏輯電平1，顯性電平代表邏輯電平0，CAN在通信的時候，也需要在每個設(shè)備輸出端并聯(lián)1個120Ω的終端匹配電阻，用于進行阻抗匹配。

18.1.2 通信組成

CAN協(xié)議通過5種類型的幀進行數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)幀，遙控幀，錯誤幀，過載幀和間隔幀，其中數(shù)據(jù)幀與遙控幀具有標準格式與擴展格式兩種，標準格式有11個位的標識符，擴展格式則有29個位的標識符，五種幀的功能如下所示。

（1）數(shù)據(jù)幀：用于實際數(shù)據(jù)傳輸

（2）遙控幀：用于接收端向具有相同ID的發(fā)送端請求數(shù)據(jù)

（3）錯誤幀：用于檢測報錯時通知其他設(shè)備

（4）過載幀：用于接收端通報尚未準備好接收準備

（5）間隔幀：用于將數(shù)據(jù)幀與遙控幀和前面的幀分割

完整的數(shù)據(jù)幀構(gòu)成如下圖所示。

數(shù)據(jù)幀一般由7段組成：

（1）幀起始：即數(shù)據(jù)幀開始的段，標準幀和擴展幀都是由1個位的顯性電平表示幀起始

（2）仲裁段：表示該幀優(yōu)先級，標準幀和擴展幀格式在這一段結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其中RTR位用于標識是否是遠程幀（0代表數(shù)據(jù)幀；1代表遠程幀），IDE位為標識符選擇位（0表示使用標準標識符；1表示使用擴展標識符），SRR位為代替遠程請求位，為隱性位，代替了標準幀中的RTR位。

（3）控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)即保留位，由6個位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標準幀和擴展幀的控制段結(jié)構(gòu)如下圖所示。

r0和r1為保留位，必須全部以顯性電平發(fā)送，但是接收端可以接收顯性、隱性及任意組合的電平。DLC段為數(shù)據(jù)長度表示段，高位在前，DLC段有效值為08，但是接收方接收到915的時候并不認為是錯誤。

（4）數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段內(nèi)容，一段可以發(fā)送0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，從最高位MSB開始輸出

（5）CRC校驗：CRC校驗數(shù)據(jù)完整性

（6）應(yīng)答段：表示正常接收

（7）幀結(jié)束：表示該幀結(jié)束

18.1.3 通信參數(shù)

由發(fā)送單元在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數(shù)稱為位速率。一個位可分為4段。

（1）同步段（SS）

（2）傳播時間段（PTS）

（3）相位緩沖段1（PBS1）

（4）相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為Tq的最小時間單位構(gòu)成。1位分為4個段，每個段又由若干個Tq構(gòu)成，這稱為位時序。1位由多少個Tq構(gòu)成、每個段又由多少個Tq構(gòu)成等，可以任意設(shè)定位時序。通過設(shè)定位時序，多個單元可同時采樣，也可任意設(shè)定采樣點。各段的作用和Tq數(shù)如下表所示。

18.1.4 總線仲裁

在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。當(dāng)多個單元同時開始發(fā)送時，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始進行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平最多的單元可繼續(xù)發(fā)送。實現(xiàn)過程如下圖所示。

單元1和單元2同時開始向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，開始部分他們的數(shù)據(jù)格式是一樣的，故無法區(qū)分優(yōu)先級，直到T時刻，單元1輸出隱性電平，而單元2輸出顯性電平，此時單元1仲裁失利，立刻轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)工作，不再與單元2競爭，而單元2則順利獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。這就實現(xiàn)了仲裁，讓連續(xù)發(fā)送顯性電平多的單元獲得總線使用權(quán)

18.1.5 STM32 CAN模組簡介

STM32F1系列自帶的是基本擴展CAN，支持CAN協(xié)議的2.0A和2.0B，支持報文發(fā)送的優(yōu)先級要求可軟件配置，最大通信速率1Mbps，3個發(fā)送郵箱和3級深度的2個接收緩存器FIFO，28個可變的濾波器組，STM32的CAN模組結(jié)構(gòu)如下圖所示。

從上面結(jié)構(gòu)可以看出，兩個CAN都分別具備自己的發(fā)送與接收郵箱，但是28個濾波器卻是公用的，通過FMR寄存器可以設(shè)置濾波器的分配方式，STM32的每個濾波器組的位寬都可以獨立配置，根據(jù)位寬的不同，每個濾波器組可以提供

（1）1個32位過濾器：包含STDID[10:0]，EXTID[17:0]，18位擴展ID，IDE和RTR位

（2）1個16位過濾器：包含STDID[10:0]，IDE，RTR和EXTID[17:15]

此外過濾器可以配置為屏蔽位模式與標識符列表模式。

（1）在屏蔽位模式下，標識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標識符的任何一位，應(yīng)該按照“必須匹配”或“不用關(guān)心”處理

（2）標識符列表模式下，屏蔽寄存器也被當(dāng)作標識符寄存器用。因此，不是采用一個標識符加一個屏蔽位的方式，而是使用2個標識符寄存器。接收報文標識符的每一位都必須跟過濾器標識符相同。

18.1.6 CAN的發(fā)送流程

第1步：程序選擇1個空置的郵箱（TME=1），設(shè)置標識符（ID），數(shù)據(jù)長度和發(fā)送數(shù)據(jù)

第2步：設(shè)置CAN_TIxR的TXRQ位為1，請求發(fā)送

第3步：郵箱掛號（等待成為最高優(yōu)先級）?

第4步：預(yù)定發(fā)送（等待總線空閑）

第5步：發(fā)送

第6步：郵箱空置

整個發(fā)送流程如下圖所示。

18.1.7 CAN的接收流程

CAN接收到的有效報文，被存儲在3級郵箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬件來管理，從而節(jié)省了CPU的處理負荷，簡化了軟件并保證了數(shù)據(jù)的一致性。應(yīng)用程序只能通過讀取FIFO輸出郵箱，來讀取FIFO中最先收到的報文。這里的有效報文是指那些正確被接收的（直到EOF都沒有錯誤）且通過了標識符過濾的報文。前面我們知道CAN的接收有2個FIFO，我們每個濾波器組都可以設(shè)置其關(guān)聯(lián)的FIFO，通過CAN_FFA1R的設(shè)置，可以將濾波器組關(guān)聯(lián)到FIFO0/FIFO1。CAN接收流程為：

FIFO空->收到有效報文->掛號1（存入FIFO的一個郵箱，這個由硬件控制，我們不需要理會）->收到有效報文->掛號2->收到有效報文->掛號3->收到有效報文->溢出

這個流程里面，我們沒有考慮從FIFO讀出報文的情況，實際情況是：我們必須在FIFO溢出之前，讀出至少1個報文，否則下個報文到來，將導(dǎo)致FIFO溢出，從而出現(xiàn)報文丟失。每讀出1個報文，相應(yīng)的掛號就減1，直到FIFO空，完整的接收流程圖如下圖所示。

FIFO接收到的報文數(shù)，我們可以通過查詢CAN_RFxR的FMP寄存器來得到，只要FMP不為0，我們就可以從FIFO讀出收到的報文。

18.1.8 通信速率計算

根據(jù)通信參數(shù)小節(jié)我們可以知道1個位是由4個段組成，分別為同步段（SS），傳播時間段（PTS），相位緩沖段1（PBS1），相位緩沖段2（PBS2），STM32內(nèi)部將傳播時間段與相位緩沖段1合并為時間段1，這樣1個位就是有3個段組成，即同步段SS，時間段1和時間段2（即相位緩沖段），由于波特率的定義是1秒內(nèi)發(fā)送二進制位的個數(shù)，所以，CAN波特率的計算公式為

18.1.9 STM32F1系列CAN測試模式

（1）靜默模式

通過對CAN_BTR寄存器的SILM位置1，來選擇靜默模式。在靜默模式下，CAN可以正常地接收數(shù)據(jù)幀和遠程幀，但只能發(fā)出隱性位，而不能真正發(fā)送報文。如果bxCAN需要發(fā)出顯性位（確認位、過載標志、主動錯誤標志），那么這樣的顯性位在內(nèi)部被接回來從而可以被CAN內(nèi)核檢測到，同時CAN總線不會受到影響而仍然維持在隱性位狀態(tài)。因此，靜默模式通常用于分析CAN總線的活動，而不會對總線造成影響－顯性位（確認位、錯誤幀）不會真正發(fā)送到總線上，靜默模式等效圖如下圖所示。

（2）環(huán)回模式

通過對CAN_BTR寄存器的LBKM位置1，來選擇環(huán)回模式。在環(huán)回模式下，CAN把發(fā)送的報文當(dāng)作接收的報文并保存（如果可以通過接收過濾）在接收郵箱里，環(huán)回模式等效圖如下圖所示。

（3）環(huán)回靜默模式

該模式可用于“熱自測試”，即可以像環(huán)回模式那樣測試CAN，但卻不會影響CANTX和CANRX所連接的整個CAN系統(tǒng)。在環(huán)回靜默模式下，CANRX引腳與CAN總線斷開，同時CANTX引腳被驅(qū)動到隱性位狀態(tài)，環(huán)回靜默模式等效圖如下圖所示。