STM32——CAN通讯基础知识

news2024/9/23 21:22:56

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：

高速CAN可以达到40m/1Mbps。低速CAN可以达到1km/40kbps。

闭环总线网络

CAN 物理层的形式主要有两种，图中的 CAN 通讯网络是一种遵循 ISO11898 标准的高速、短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为 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。

STM32F1中包含一个CAN控制器，CAN收发器需要另行安装。一个CAN控制器和一个收发器构成一个CAN节点。

差分信号

高速CAN（ISO11898标准）的电平定义，两者物理层电气特性不一样，因此不能将它们连接在一起。可以看到当CAN_H和CAN_L电压相近，则表示隐性电平，对应逻辑1，当两个电压相差较大，表示显性电平，对应逻辑0。

CAN 的报文种类及结构

在 SPI 通讯中，片选、时钟信号、数据输入及数据输出这 4 个信号都有单独的信号线，I2C 协议包含有时钟信号及数据信号 2 条信号线，异步串口包含接收与发送 2 条信号线，这些协议包含的信号都比 CAN 协议要丰富，它们能轻易进行数据同步或区分数据传输方向。而 CAN 使用的是两条差分信号线，只能表达一个信号，简洁的物理层决定了 CAN 必然要配上一套更复杂的协议，如何用一个信号通道实现同样、甚至更强大的功能呢？CAN 协议给出的解决方案是对数据、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。

报文的种类

CAN一共规定了 5 种类型的帧，它们的类型及用途说明如表

帧起始(Start Of Frame-SOF)：1bit，显性信号，表示数据帧（或远程帧）的开始；

仲裁段(Arbitration Field)：包括标识符位（Identifier field-ID）和远程发送请求位（Remote Transfer Request，RTR）；

标准帧的ID位是11位，即范围是0x000~0x7FF，而扩展帧的ID是11+18=29位；在CAN协议中，ID决定报文的优先级高低，也决定这拓扑结构的节点是否接收此ID的帧数据；

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（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）：标准帧中由扩展标识符位（Identifier Extension bit-IDE，1 bit）、保留位0（Reseved bit0-r0，1 bit）、数据长度编码位（Data Length Code-DLC，4 bits）组成；扩展帧用由两个保留位（Reseved bit，2 bit）、数据长度编码位（Data Length Code-DLC，4 bits）组成;

数据段（Data Field）：发送数据的内容，最多8个字节（64bit），它的实际长度会写到前面的数据长度编码位DLC里。

循环校验段（CRC Field）：包括循环校验序列（CRC Sequence）和界定符（Delimiter，DEL）；循环校验序列用于校验传输是否正确；界定符用于表示循环校验序列是否结束；

确认段（ACK Field）：包括确认位（ACK SLOT）和界定符（Delimiter，DEL）；确认位在节点收到正确的CRC序列时，发送端的ACK位被置位；界定符表示确认是否正常接收；

帧结束（End of Frame-EOF）：7位长度，隐性信号，表示帧的结束；

位时序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率

为方便调试，STM32 的 CAN 提供了测试模式，配置位时序寄存器 CAN_BTR 的 SILM 及 LBKM寄存器位可以控制使用正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式，见图。

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CAN 发送邮箱

图中的 CAN 外设框图，在标号处的是 CAN 外设的接收 FIFO，它一共有 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，我们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，它们的功能见表。

当我们要使用 CAN 外设发送报文时，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。