基于STM32的CAN通訊實驗

30.1 CAN簡介

30.2 硬件設(shè)計

30.3 軟件設(shè)計

30.4 下載驗證

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 　　

現(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

CAN 控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。

CAN協(xié)議具有一下特點：

1）多主控制。在總線空閑時，所有單元都可以發(fā)送消息（多主控制），而兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標(biāo)識符（Identifier 以下稱為 ID）決定優(yōu)先級。ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID 的每個位進(jìn)行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

2）系統(tǒng)的若軟性。與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

3）通信速度較快，通信距離遠(yuǎn)。最高1Mbps（距離小于40M），最遠(yuǎn)可達(dá)10KM（速率低于5Kbps）。

4）具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復(fù)功能。所有單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能），檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能），正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復(fù)功能）。

5）故障封閉功能。CAN 可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。

6）連接節(jié)點多。CAN 總線是可同時連接多個單元的總線。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負(fù)載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。

正是因為CAN協(xié)議的這些特點，使得CAN特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN協(xié)議經(jīng)過ISO標(biāo)準(zhǔn)化后有兩個標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898標(biāo)準(zhǔn)和ISO11519-2標(biāo)準(zhǔn)。其中ISO11898是針對通信速率為125Kbps~1Mbps的高速通信標(biāo)準(zhǔn)，而ISO11519-2是針對通信速率為125Kbps以下的低速通信標(biāo)準(zhǔn)。

本章，我們使用的是450Kbps的通信速率，使用的是ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的物理層特征如圖30.1.1所示：

圖30.1.1 ISO11898物理層特性

從該特性可以看出，顯性電平對應(yīng)邏輯0，CAN_H和CAN_L之差為2.5V左右。而隱性電平對應(yīng)邏輯1，CAN_H和CAN_L之差為0V。在總線上顯性電平具有優(yōu)先權(quán)，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。而隱形電平則具有包容的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平（顯性電平比隱性電平更強(qiáng)）。另外，在CAN總線的起止端都有一個120Ω的終端電阻，來做阻抗匹配，以減少回波反射。

CAN協(xié)議是通過以下5種類型的幀進(jìn)行的：

l數(shù)據(jù)幀

l要控幀

l錯誤幀

l過載幀

l幀間隔

另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。標(biāo)準(zhǔn)格式有11 個位的標(biāo)識符（ID），擴(kuò)展格式有29 個位的ID。各種幀的用途如表30.1.1所示：

表30.1.1 CAN協(xié)議各種幀及其用途

由于篇幅所限，我們這里僅對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行詳細(xì)介紹，數(shù)據(jù)幀一般由7個段構(gòu)成，即：

（1） 幀起始。表示數(shù)據(jù)幀開始的段。

（2） 仲裁段。表示該幀優(yōu)先級的段。

（3） 控制段。表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。

（4） 數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

（5） CRC段。檢查幀的傳輸錯誤的段。

（6） ACK段。表示確認(rèn)正常接收的段。

（7） 幀結(jié)束。表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如圖30.1.2所示：

圖中D表示顯性電平，R表示隱形電平（下同）。

幀起始，這個比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由1個位的顯性電平表示幀起始。

仲裁段，表示數(shù)據(jù)優(yōu)先級的段，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式在本段有所區(qū)別，如圖30.1.3所示：

圖30.1.3數(shù)據(jù)幀仲裁段構(gòu)成

標(biāo)準(zhǔn)格式的ID 有11 個位。從ID28 到ID18 被依次發(fā)送。禁止高7 位都為隱性（禁止設(shè)定：ID=1111111XXXX）。擴(kuò)展格式的 ID 有29 個位?；綢D 從ID28 到ID18，擴(kuò)展ID 由ID17 到ID0 表示?；綢D 和標(biāo)準(zhǔn)格式的ID 相同。禁止高7 位都為隱性（禁止設(shè)定：基本ID=1111111XXXX）。

其中RTR位用于標(biāo)識是否是遠(yuǎn)程幀（0，數(shù)據(jù)幀；1，遠(yuǎn)程幀），IDE位為標(biāo)識符選擇位（0，使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符；1，使用擴(kuò)展標(biāo)識符），SRR位為代替遠(yuǎn)程請求位，為隱性位，它代替了標(biāo)準(zhǔn)幀中的RTR位。

控制段，由6個位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的控制段稍有不同，如圖30.1.4所示：

圖30.1.4數(shù)據(jù)幀控制段構(gòu)成

上圖中，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0~8，但是接收方接收到9~15的時候并不認(rèn)為是錯誤。

數(shù)據(jù)段，該段可包含0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。從最高位（MSB）開始輸出，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段的定義都是一樣的。如圖30.1.5所示：

圖30.1.5數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)段構(gòu)成

CRC段，該段用于檢查幀傳輸錯誤。由15個位的CRC順序和1個位的CRC界定符（用于分隔的位）組成，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段的格式也是相同的。如圖30.1.6所示：

圖30.1.6數(shù)據(jù)幀CRC段構(gòu)成

此段CRC的值計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段。接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時會通報錯誤。

ACK段，此段用來確認(rèn)是否正常接收。由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段的格式也是相同的。如圖30.1.7所示：

圖30.1.7數(shù)據(jù)幀CRC段構(gòu)成

發(fā)送單元的ACK，發(fā)送2個位的隱性位，而接收到正確消息的單元在ACK槽（ACK Slot）發(fā)送顯性位，通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束，這個過程叫發(fā)送ACK/返回ACK。發(fā)送 ACK 的是在既不處于總線關(guān)閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元（發(fā)送單元不發(fā)送ACK）。所謂正常消息是指不含填充錯誤、格式錯誤、CRC 錯誤的消息。

幀結(jié)束，這個段也比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段格式一樣，由7個位的隱性位組成。

至此，數(shù)據(jù)幀的7個段就介紹完了，其他幀的介紹，請大家參考光盤的CAN入門書.pdf相關(guān)章節(jié)。接下來，我們再來看看CAN的位時序。

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。

l同步段（SS）

l傳播時間段（PTS）

l相位緩沖段1（PBS1）

l相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為 Time Quantum（以下稱為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)如表30.1.2所示：

表30.1.2 一個位各段及其作用

1個位的構(gòu)成如圖30.1.8所示：

圖30.1.8 一個位的構(gòu)成

上圖的采樣點，是指讀取總線電平，并將讀到的電平作為位值的點。位置在 PBS1 結(jié)束處。根據(jù)這個位時序，我們就可以計算CAN通信的波特率了。具體計算方法，我們等下再介紹，前面提到的CAN協(xié)議具有仲裁功能，下面我們來看看是如何實現(xiàn)的。

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(jìn)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，如圖30.1.9所示：

圖30.1.9 CAN總線仲裁過程

上圖中，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)。

通過以上介紹，我們對CAN總線有了個大概了解（詳細(xì)介紹參考光盤的：《CAN入門書.pdf》），接下來我們介紹下STM32的CAN控制器。

STM32自帶的是bxCAN，即基本擴(kuò)展CAN。它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B。它的設(shè)計目標(biāo)是，以最小的CPU負(fù)荷來高效處理大量收到的報文。它也支持報文發(fā)送的優(yōu)先級要求(優(yōu)先級特性可軟件配置)。對于安全緊要的應(yīng)用，bxCAN提供所有支持時間觸發(fā)通信模式所需的硬件功能。

STM32的bxCAN的主要特點有：

l支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B主動模式

l波特率最高達(dá)1Mbps

l支持時間觸發(fā)通信

l具有3個發(fā)送郵箱

l具有3級深度的2個接收FIFO

l可變的過濾器組（最多28個）

在STM32互聯(lián)型產(chǎn)品中，帶有2個CAN控制器，而我們使用的STM32F103ZET6屬于增強(qiáng)型，不是互聯(lián)型，只有1個CAN控制器。雙CAN的框圖如圖30.1.10所示：

圖30.1.10 雙CAN框圖

從圖中可以看出兩個CAN都分別擁有自己的發(fā)送郵箱和接收FIFO，但是他們共用28個濾波器。通過CAN_FMR寄存器的設(shè)置，可以設(shè)置濾波器的分配方式。

STM32的標(biāo)識符過濾是一個比較復(fù)雜的東東，它的存在減少了CPU處理CAN通信的開銷。STM32的過濾器組最多有28個（互聯(lián)型），但是STM32F103ZET6只有14個（增強(qiáng)型），每個濾波器組x由2個32為寄存器，CAN_FxR1和CAN_FxR2組成。

STM32每個過濾器組的位寬都可以獨(dú)立配置，以滿足應(yīng)用程序的不同需求。根據(jù)位寬的不同，每個過濾器組可提供：

● 1個32位過濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位

● 2個16位過濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

此外過濾器可配置為，屏蔽位模式和標(biāo)識符列表模式。

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

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

通過CAN_FMR寄存器，可以配置過濾器組的位寬和工作模式，如圖30.1.11所示：

圖30.1.11 過濾器組位寬模式設(shè)置

為了過濾出一組標(biāo)識符，應(yīng)該設(shè)置過濾器組工作在屏蔽位模式。

為了過濾出一個標(biāo)識符，應(yīng)該設(shè)置過濾器組工作在標(biāo)識符列表模式。

應(yīng)用程序不用的過濾器組，應(yīng)該保持在禁用狀態(tài)。

過濾器組中的每個過濾器，都被編號為(叫做過濾器號，圖30.1.11中的n)從0開始，到某個最大數(shù)值－取決于過濾器組的模式和位寬的設(shè)置。

舉個簡單的例子，我們設(shè)置過濾器組0工作在：1個32為位過濾器-標(biāo)識符屏蔽模式，然后設(shè)置CAN_F0R1=0XFFFF0000，CAN_F0R2=0XFF00FF00。其中存放到CAN_F0R1的值就是期望收到的ID，即我們希望收到的映像（STID+EXTID+IDE+RTR）最好是：0XFFFF0000。而0XFF00FF00就是設(shè)置我們需要必須關(guān)心的ID，表示收到的映像，其位[31:24]和位[15:8]這16個位的必須和CAN_F0R1中對應(yīng)的位一模一樣，而另外的16個位則不關(guān)心，可以一樣，也可以不一樣，都認(rèn)為是正確的ID，即收到的映像必須是0XFFxx00xx，才算是正確的（x表示不關(guān)心）。

關(guān)于標(biāo)識符過濾的詳細(xì)介紹，請參考《STM32參考手冊》的22.7.4節(jié)（431頁）。接下來，我們看看STM32的CAN發(fā)送和接收的流程。