CAN通讯

1. CAN通讯介绍

CAN（Controller Area Network 控制器局域网，简称CAN或者CAN bus）是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。

2. 物理层

CAN网络节点：

• 一个CAN控制器

  • 一般MCU提供。STM32内部提供了1个CAN控制器。

• 一个CAN收发器

  • 收发器一般需要专门芯片提供。

• 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。

CAN网络节点发数据：

• 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。

• 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

CAN网络节点收数据：

• 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。

根据接法不同，总线网络分2种：

• 闭环总线网络
• 开环总线网络

2.1 闭环总线网络

遵循 ISO11898标准的高速、短距离闭环网络：

• 最大传输距离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。

2.2 开环总线网络

遵循 ISO11519-2标准的低速、远距离开环网络：

• 最大传输距离1Km。
• 通信速度最高为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。

2.3 差分信号

• CAN_High和CAN_Low 走的是一对差分信号。
• 传统的单端信号传输：一根信号线一根地线。
• 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。
• 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。
• 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。

差分信号优缺点：

• 优点：

  • 抗干扰能力强。

    干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑意义不产生影响。

  • 能有效抑制电磁干扰（EMI）。

    由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

• 缺点：

  • 差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。对电路板比较小，走线比较紧张的情况下，给布线带来挑战。

CAN中的差分信号：

以高速CAN协议为例

逻辑1（隐性电平）：

• CAN_High =CAN_Low = 2.5V
• 电压差 VH-VL=0V

逻辑 0 （显性电平）：

• CAN_High=3.5V，CAN_Low =1.5V
• 电压差为 VH-VL=2V

3. 协议层

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。报文中没有任何明确的地址；

CAN总线上有5种不同的报文类型（或“帧”）：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

3.1 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2种数据帧：

• 标准帧

• 扩展帧

标准帧：

• 帧起始（Start Of Frame-SOF）：

  • 1bit，显性信号（逻辑0）。
  • 表示数据帧（或远程帧）的开始。
  • 只能在总线空闲的时候才可以发送帧起始。

• 仲裁段（Arbitration Field）包括两部分：

  • 标识符位（Identifier field-ID）：
    • 长度为11位（11 bits），ID10ID0。按照ID10ID0的顺序进行传输。
    • 是一个功能性的地址（Functional address）, CAN接收器通过标识符来过滤数据帧。
    • 不同节点的标识符位是不能相同的。
  • 远程发送请求位（Remote Transfer Request-RTR）：
    • 用于区分该帧是数据帧还是远程帧。
    • 显性信号（0）代表数据帧（Data Frame）。
    • 隐性信号（1）代表远程帧（Remote Frame）。

• 控制段（Control Field）一共6位：

  • IDE位（Identifier Extension）：

    • 1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。

  • DLC段（Data Length Code）：

    • 4位。表示本报文中的数据段含有多少个字节。

    • 用于DLC段表示的数字为0~8。

  • R0位：

    • 1位。保留位，以后使用。

• 数据段（DATA Field）：

  • 数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息。
  • 由 0~8个字节组成。
  • 高位先行。

• CRC段（CRC Field）包含2部分：

  • CRC校验码：
    • 15 bits，用于校验传输是否正确。
  • 界定符：
    • 隐性位，表示校验码的结束。

• ACK段（ACK Field）：

  • ACK确认位：
    • 发送端的ACK确认位是隐性位。
    • 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：
    • 1位隐性位，用于与后面的帧结束隔开。

• EOF段（ End Of Frame ）：

  • 帧结束，帧结束段由发送节点发送的 7 个隐性位表示结束。

扩展帧：

• SRR（Substitute Remote Request Bit）替代远程请求位（RTR），隐性信号。
• IDE表示扩展帧还是标准帧。
• 18位扩展ID。
• RTR表示数据帧还是远程帧。
• R1R0保留位。

3.2 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。

远程帧与数据帧相比没有数据段。

3.3 错误帧

错误帧当检测出错误时向其他单元通知错误的帧。

3.4 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。

3.5 帧间隔

用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

其中错误帧、过载帧、帧间隔都是由硬件自动完成的，没有办法用软件来控制。对于一般使用者来说，只需要掌握数据帧与遥控帧。数据帧和遥控帧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。

3.6 CAN总线仲裁

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，即首先出现隐性电平的单元失去对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。

3.7 位时序

CAN中提出了位同步的方式来确保通讯时序。

一帧中包含了很多个位。

CAN把每1位分为4段(从时间角度划分)：

• 同步段（SS：Synchronization Segment）。
  • SS 段的大小固定为 1Tq。
  • 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。
• 传播时间段（PTS：Propagation Time Segment）。
  • CAN总线上数据的传输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。
  • PTS段就是用来补偿这些因素产生的时间延迟。
  • PTS段长度至少为1个Tq。一般1-8Tq。
• 相位缓冲段 1（PBS1：Phase Buffer Segment 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。
  • PBS1段的初始大小可以为1~8Tq。
• 相位缓冲段 2（PBS2：Phase Buffer Segment 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。
  • PBS2 段的初始大小可以为 2~8Tq。

4段的总时间段构成了位时间（Bit Time），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（Time Quanta, Tq）。

一个Tq的长度可以根据传输速率的需要设置。

在STM32的CAN外设中，通过设置波特率分频器的值来确定Tq的大小。

采样点：

• 位于PBS1和PBS2的交界处。

3.8 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。

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。

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(即总线上的跳变沿不在节点时序的 SS 段范围)。
• 通过延长 PBS1 段或缩短 PBS2 段，来获得同步。

3.8 CAN的波特率

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。

假设图中的1Tq=1us，而每个数据位由20个Tq 组成，则传输一位数据需要时间为20us，从而每秒可以传输的数据位个数为：

10^6 / 20 = 50,000

这个每秒可传输的数据位的个数即为CAN通讯的波特率。比如上面的波特率就是50kbps。

4. STM32的CAN外设

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 Active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。

4.1 三种工作模式

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。

4.2 三种测试模式

CAN控制器有3种测试模式：静默模式、环回模式、环回静默模式。

• 静默模式：

只收不发。

可以用于检测总线的数据流量。

• 环回模式：

只发不收。

可以用于自检（影响总线）。

• 环回静默模式：

自发自收。

也是用于自检，不会影响到总线。

4.3 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。

• 发送邮箱：

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（过滤器）：

作用：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。

如果使能了过滤器，且报文的ID与所有过滤器的配置都不匹配，CAN外设会丢弃该报文，不存入接收FIFO。

每个CAN提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组（13~0）。每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FxR1和 CAN_FxR2组成。

• 说明：

  • 当工作于32位屏蔽位模式时，FR1保存标识符，FR2保存屏蔽。FR2某位是1表示来的ID的这位必须和FR1中对应的位一致，FR2某位是0，表示ID的这位不关心。

  • 当工作于32位标识符模式时。FR1和FR2分别保存两个标识符。这意味着将来只有两个ID会匹配成功。

• 筛选优先级规则：

根据筛选组合的不同，可能存在一个标识符成功通过了几个筛选器的情况。在这种情况下，接收邮箱中存储的筛选器匹配值会根据以下优先级规则来选择：

• 32位筛选器比16位筛选器优先。

• 对于相同尺度的筛选器，标识符列表模式比标识符掩码模式优先。

• 对于相同尺度和模式的筛选器，优先级由筛选器编号决定（编号越小，优先级越高）。

4.4 位时序

STM32的位时序：把标准位时序的传播时间段和相位缓冲段1做了合并。

4.5 标志与中断

四个中断向量是专门用于bxCAN的。每个中断来源都可以通过CAN中断使能寄存器（CAN_IER）独立地开启或关闭。

• 传输中断可由以下事件生成：

  • 发送邮箱 0 变为空，CAN_TSR寄存器集中的 RQCP0 位。
  • 发送邮箱 1 变为空，CAN_TSR寄存器集中的 RQCP1 位。
  • 发送邮箱 2 变为空，CAN_TSR寄存器集中的 RQCP2 位。

• FIFO 0 中断可由以下事件生成：

  • 接收新消息时，CAN_RF0R寄存器中的 FMP0 位不是 00。

  • FIFO0 完全条件，CAN_RF0R寄存器集中的 FULL0 位。

  • FIFO0 溢出条件，CAN_RF0R寄存器集中的 FOVR0 位。

• FIFO 1 中断可由以下事件生成：

  • 接收新消息时，CAN_RF1R寄存器中的 FMP1 位不是 00。
  • FIFO1 完整条件，CAN_RF1R寄存器集中的 FULL1 位。
  • FIFO1 溢出条件，CAN_RF1R寄存器集中的 FOVR1 位。

• 错误和状态更改中断可由以下事件生成：

  • 错误条件，有关错误条件的更多详细信息，请参阅 CAN 错误状态寄存器（CAN_ESR）。
  • 唤醒条件，在 CAN Rx 信号上监控 SOF。
  • 进入睡眠模式。