2019年09月30日 | stm32的can总线理解及应用——程序对应stm32f103系列

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。

它的通信速度较快，通信距离远，最高1Mbps（距离小于40米），最远可达10千里（速率低于5Kbps）。在总线空闲时，所有单元都可以发送消息（多主控制），而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

CAN协议经过ISO标准化后有两个标准：ISO11898标准和ISO11519-2标准。其中ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准，而ISO11519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准。

本章，我们使用的是450Kbps的通信速率，使用的是ISO11898标准，该标准的物理层特征如图1所示：

从该特性可以看出，显性电平对应逻辑0，CAN_H和CAN_L之差为2.5V左右。而隐性电平对应逻辑1，CAN_H和CAN_L之差为0V。在总线上显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。另外，在CAN总线的起止端都有一个120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射。

CAN协议是通过以下5种类型的帧进行的：

l 数据帧

l 摇控帧

l 错误帧

l 过载帧

l 帧间隔

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有11 个位的标识符（ID），扩展格式有29 个位的ID。

1.数据帧

数据帧一般由7个段构成，即：

（1） 帧起始。表示数据帧开始的段。

（2） 仲裁段。表示该帧优先级的段。

（3） 控制段。表示数据的字节数及保留位的段。

（4） 数据段。数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。

（5） CRC段。检查帧的传输错误的段。

（6） ACK段。表示确认正常接收的段。

（7） 帧结束。表示数据帧结束的段。

如图2为数据帧的构成：

图中D表示显性电平，R表示隐形电平（下同）。

帧起始，标准帧和扩展帧都是由1个位的显性电平表示帧起始。

仲裁段，表示数据优先级的段，标准帧和扩展帧格式在本段有所区别，标准格式的ID 有11 个位。从ID28 到ID18 被依次发送。禁止高7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX，原因：can通信采用的是NZR编码，而can的仲裁是靠数据帧中的ID部分来实现的，全为隐性状态，可能导致仲裁失败！）。扩展格式的 ID 有29 个位。基本ID 从ID28 到ID18，扩展ID 由ID17 到ID0 表示。基本ID 和标准格式的ID 相同。禁止高7 位都为隐性（禁止设定：基本ID=1111111XXXX）。

其中RTR位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），IDE位为标识符选择位（0，使用标准标识符；1，使用扩展标识符），SRR位为代替远程请求位，为隐性位，它代替了标准帧中的RTR位。

控制段，由6个位构成，表示数据段的字节数。

数据段，该段可包含0~8个字节的数据。从最高位（MSB）开始输出，标准帧和扩展帧在这个段的定义都是一样的。

CRC段，该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，标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。

ACK段，此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。标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。

2.远程帧（遥控帧）

远程帧作用：只发送ID号，不发送数据，它将ID发给另一台设备，请求另一台设备返回数据。

3.CAN总线波特率设置

位速率：由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为 4 段。

l 同步段（SS）

l 传播时间段（PTS）

l 相位缓冲段1（PBS1）

l 相位缓冲段2（PBS2）

这些段又由可称为 Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。

1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，这称为位时序。

1 位由多少个Tq 构成、每个段又由多少个Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。STM32把传播时间段和相位缓冲段1（STM32称之为时间段1）合并了，所以STM32的CAN一个位只有3段：同步段（SYNC_SEG）、时间段1（BS1）和时间段2（BS2）。STM32的BS1段可以设置为1~16个时间单元，刚好等于我们上面介绍的传播时间段和相位缓冲段1之和。STM32的CAN位时序如图3所示：

图中还给出了CAN波特率的计算公式，我们只需要知道BS1和BS2的设置，以及APB1的时钟频率（一般为36Mhz），就可以方便的计算出波特率。比如设置TS1=6、TS2=7和BRP=4，在APB1频率为36Mhz的条件下，即可得到CAN通信的波特率=36000/[(7+8+1)*5]=450Kbps。图4是常见CAN总线的波特率设置：

4.CAN总线屏蔽滤波

STM32的标识符屏蔽滤波目的是减少了CPU处理CAN通信的开销。STM32的过滤器组最多有28个（互联型），但是STM32F103ZET6只有14个（增强型），每个滤波器组x由2个32为寄存器，CAN_FxR1和CAN_FxR2组成。

STM32每个过滤器组的位宽都可以独立配置，以满足应用程序的不同需求。根据位宽的不同，每个过滤器组可提供：

● 1个32位过滤器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位

● 2个16位过滤器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

此外过滤器可配置为，屏蔽位模式和标识符列表模式。

在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。

而在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此，不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用2个标识符寄存器。接收报文标识符的每一位都必须跟过滤器标识符相同。

滤波过程举例：

现有ID号为001,002,003,004的4个CAN，他们都能发送、接收广播报文。站在CAN002号角度看，它所能接受到报文的ID是通过滤波器滤波后的ID号，即这里将过滤方式分两种，一是002号能接收多个ID报文（屏蔽滤波模式），二是002号只能接收一个ID报文（标识符列表模式）。

屏蔽滤波模式：

标识符寄存器：0 0 1

屏蔽寄存器： 1 0 1

报文ID号： 0 0/1 1

如果设置标识符寄存器和屏蔽寄存器为001和101；屏蔽滤波模式的作用是如果屏蔽寄存器某位上出现了1，则报文ID号对应的那位要与标识符寄存器那位一致，即“必须匹配”原则，所以标识符寄存器第一位0，报文ID号第一位也必须为0，因为屏蔽寄存器第一位为1，类似的第三位也是这样。如果屏蔽寄存器某位上出现了0，则报文ID号对应的那位可与标识符寄存器那位不一致也可以一致，即“不用关心”原则，第二位由于屏蔽寄存器上为0，所以报文ID号可以与标识符寄存器上的0一致也可以不一致，故报文ID号第二位为0/1。所以002号（010）可以接受来自001号（001）和003号（011）的报文。

标识符列表模式：将设置的屏蔽寄存器改为标识符寄存器

标识符寄存器：0 0 1

标识符寄存器： 0 0 1

报文ID号： 0 0 1

如果设置2个标识符寄存器为001和001；报文ID号必须与这两个标识符寄存器所对应的位相等。所以002号CAN只能接受001号的报文。

下图5是CAN_FMR寄存器，可以配置过滤器组的寄存器位数16还是32位，工作模式以及它和标准帧、扩展帧位数的对应关系，方便我们在不同的帧模式（标准数据帧、扩展数据帧、标准远程帧、扩展远程帧）下对报文ID进行过滤。

5.CAN的发送与接收流程

5.1CAN 发送流程

发送报文的流程为：应用程序选择1个空发送邮箱；设置标识符、数据长度和待发送数据；然后CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，来请求发送。TXRQ位置1后，邮箱就不再是空邮箱；而一旦邮箱不再为空，软件对邮箱寄存器就不再有写的权限。TXRQ位置1后，邮箱马上进入挂号状态，并等待成为最高优先级的邮箱。一旦邮箱成为最高优先级的邮箱，其状态就变为预定发送状态。当CAN总线进入空闲状态，预定发送邮箱中的报文就马上被发送（进入发送状态）。邮箱中的报文被成功发送后，它马上变为空邮箱，硬件相应地对CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，此时可以设置发送中断（入口地址：USB_HP_CAN_TX_IRQChannel()），进入中断置can_tx_flag_success=1，来表明一次成功发送。

5.2CAN接收流程

接收到的报文，被存储在3级邮箱深度的FIFO中。FIFO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。根据CAN协议，当报文被正确接收（直到EOF域的最后1位都没有错误），且通过了标识符过滤，那么该报文被认为是有效报文。接收相关的中断条件：

一旦往FIFO存入1个报文，硬件就会更新FMP[1:0]位，并且如果CAN_IER寄存器的FMPIE位为1，那么就会产生一个中断请求，可以进入接收中断读取接收的数据（入口地址：USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel()）。

当FIFO变满时（即第3个报文被存入），CAN_RFxR寄存器的FULL位就被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FFIE位为1，那么就会产生一个满中断请求。

在溢出的情况下，FOVR位被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FOVIE位为1，那么就会产生一个溢出中断请求。

6.CAN总线应用——CAN与上位机通讯实验（基于stm32f103zet6）

6.1硬件设计

本文的TX与RX采用PB9和PB8（端口重映射），他们与CAN收发器连接，CAN收发器（芯片有很多，如：TJA1050;SN65VD230）与USB/CAN转换器连接到PC机上，具体电路如图6。

CAN收发器：

usb/can转换器：某宝上有卖，100多就行。

6.2程序

#include "pbdata.h"

void RCC_Configuration(void);

void GPIO_Configuration(void);

void NVIC_Configuration(void);

void CAN_Configuration(void);

int main(void)

{

CanTxMsg TxMessage;

RCC_Configuration(); //时钟配置

GPIO_Configuration();//端口配置

NVIC_Configuration();

CAN_Configuration();

while(1)

{

//每隔1s发送一个报文，一个报文8B

TxMessage.StdId=0xFF00>>5;//标准帧只有31-21位，对于16位寄存器而言，低五位为扩展帧，所以在写16位数据时，最后5位置0

TxMessage.ExtId=0;

TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;//选择发送标准帧

    //TxMessage.StdId=0;

//TxMessage.ExtId=0xFFFFFFFF>>3;//扩展帧只有18位，在32位数据时最后三位为（IDE，RTR，TXRQ），所以在写扩展帧时，最后三位要置0

//TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;

//发送扩展帧

TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;//发送的是数据帧

//TxMessage.RTR=CAN_RTR_REMOTE;//远程帧，只发送ID，不发送数据，将ID发给另一台设备，请求另一台设备返回数据

TxMessage.DLC=8;//数据长度8B

TxMessage.Data[0]=0x11;

TxMessage.Data[1]=0x22;

TxMessage.Data[2]=0x33;

TxMessage.Data[3]=0x44;

TxMessage.Data[4]=0x55;

TxMessage.Data[5]=0x66;

TxMessage.Data[6]=0x77;

TxMessage.Data[7]=0x88;

//数据内容

can_tx_success_flag = 0;

       CAN_Transmit(CAN1,&tx_message);//can发送数据

       while(can_tx_success_flag == 0);//是否一次发送成功

delay_ms(1000);//1s一次 

}

}

void RCC_Configuration(void)

{

    SystemInit();//72m

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);

}

void GPIO_Configuration(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//端口重映射

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap1_CAN1,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;//RX

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;//TX

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

void NVIC_Configuration(void)

{

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; 

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

void CAN_Configuration(void)

{

//硬件上有个can/usb才能与PC通讯

   CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;

   CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;

   CAN_DeInit(CAN1);

   CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);

   //关闭时间触发模式

   CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;

   //关闭自动离线管理

   CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;

   //关闭自动唤醒模式

   CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;

   //禁止报文自动重传

   CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;

   //FIFO溢出时报文覆盖源文件

   CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;

   //报文发送优先级取决于ID号，本次只用了一个发送邮箱，关闭TXFP

   CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;

   //工作模式（正常）

   CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_Normal;

   //波特率设置125 KBPS

   CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;

   CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_3tq;

   CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_2tq;

   CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;

   //初始化CAN

   CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);

   //屏蔽滤波（can接收才涉及）

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;//0号滤波器

   //屏蔽滤波模式

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;//标识符屏蔽位模式

   //32位寄存器

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;

   //标识符寄存器高16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x0F00;

   //标识符寄存器低16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0;

   //屏蔽寄存器高16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x0F00;

   //屏蔽寄存器低16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0;

   //过滤器将ID报文关联到FIFO0缓存区中，数据只能从这里导出

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_Filter_FIFO0;

   //过滤器使能

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;

   //初始化过滤器

   CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

   //接收中断使能

   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_FMP0,ENABLE);

   //发送中断使能

   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_TME,ENABLE);

}

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)

{

CanRxMsg RxMessage;

CanTxMsg TxMessage;

//CAN接收

CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);//can接收的数据存在FIFO0的RxMessage里

TxMessage.StdId=RxMessage.StdId;//标准ID

TxMessage.ExtId=RxMessage.ExtId;//扩展ID

TxMessage.IDE=RxMessage.IDE;//标准帧还是扩展帧

TxMessage.RTR=RxMessage.RTR;//数据帧还是远程帧

TxMessage.DLC=RxMessage.DLC;//待传输数据长度

TxMessage.Data[0]=RxMessage.Data[0];

TxMessage.Data[1]=RxMessage.Data[1];

TxMessage.Data[2]=RxMessage.Data[2];

TxMessage.Data[3]=RxMessage.Data[3];

TxMessage.Data[4]=RxMessage.Data[4];

TxMessage.Data[5]=RxMessage.Data[5];

TxMessage.Data[6]=RxMessage.Data[6];

TxMessage.Data[7]=RxMessage.Data[7];

//CAN发送

CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);

}

//进发送中断的目的是为了设置can发送成功标志位

void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void) //CAN TX

{

    if (CAN_GetITStatus(CAN1,CAN_IT_TME)!= RESET)

{

   CAN_ClearITPendingBit(CAN1,CAN_IT_TME);

       can_tx_success_flag=1;

    }

}