STM32-CAN

一、CAN总线简介

1.1 CAN简介

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。异步半双工。
ISO11898：123kbps~1Mbps。

ISO11519：125kbps

特点：

多主控制
没有地址信息
速度快，距离远
具有错误检测、错误通知、错误恢复功能
故障封闭功能
多节点连接

1.1.1 ISO11898、ISO11519

帮助记忆：显“0”。多点线与机制，一个是0全是0，所有1才为1。类似于上拉。

差分信号：抗干扰，双绞线（相互抵消电磁干扰），电压差值不变。

1.2 CAN协议帧

数据帧：发送单元向接收单元传送数据。
遥控帧：接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧。
错误帧：检测出错误，向其他单元通知错误。
过载帧：接收单元通知为做好准备。
间隔帧：将数据帧及遥控帧与前面的帧分隔开。

1.2.1 数据帧

1.2.1.1 帧起始（1bit）

1bit，显性电平。

1.2.1.2 仲裁段（12bit）

显性电平获取优先。
禁止高7位都为隐性电平（1111111XXXX）。标准：ID10~ID0。扩展：基本ID28~ID18，扩展ID17~ID0。
RTR：0数据帧，1远程帧
IDE：0标准，1扩展
SRR：代替RTR，隐性电平。

1.2.1.3 控制段（6bit）

r0，r1：保留，显性电平。
DLC：4bit，数据长度，MSB，0~8。

1.2.1.4 数据段（0~8bytes）

1.2.1.5 CRC段（16bit）

计算：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。

1.2.1.6 ACK段（2bit）

发送单元：隐性，隐性。
接收单元：显性，隐性。

1.2.1.7 帧结束（7bit隐性）

1.2.2 位时序

1位，分为4个段，每个段分为若干个Tq。

同步段(SS)：1Tq，
传播时间段(PTS)：1~8Tq，
相位缓冲段1(PBS1)：1~8Tq，
相位缓冲段2(PBS2)：2~8Tq，
再同步补偿宽度(SJW)：1~4T

1.2.3 位填充

当同样的电平持续 5 位时则添加一个位的反型数据。

发送单元的工作：

在发送数据帧和遥控帧时，SOF～CRC 段间的数据，相同电平如果持续 5 位，在下一个位（第 6 个位）则要插入 1 位与前 5 位反型的电平。

接收单元的工作：

在接收数据帧和遥控帧时，SOF～CRC 段间的数据，相同电平如果持续 5 位，需要删除下一个位（第 6 个位）再接收。如果这个第 6 个位的电平与前 5 位相同，将被视为错误并发送错误帧。

1.2.4 同步

硬件同步(帧起始同步)；

再同步(发慢收快，延长相位缓冲段1；发快收慢，缩短相缓2)。

同步规则：

每位只同步一次。
任何一个隐性到显性的跳变都可以用于同步。
硬同步发生在SOF，其他接受节点调整各自的同步段。
重同步发生在帧除SOF之外的位置，当跳变沿落在了同步段之外的情况下。

1.2.5 总线优先级

在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。
多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。
具有相同 ID 的数据帧和遥控帧在总线上竞争时，仲裁段的最后一位（RTR）为显性位的数据帧具有优先权，可继续发送。（数据大于遥控）
标准格式 ID 与具有相同 ID 的遥控帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的 RTR 位为显性位的具有优先权，可继续发送。（标准大于扩展）

扩展知识：

STM32F1 自带的是 bxCAN，即基本扩展 CAN。它支持 CAN 协议 2.0A 和 2.0B。 CAN2.0A
只能处理标准数据帧，扩展帧的内容会识别错误； CAN2.0B Active 可以处理标准数据帧和扩展
数据帧；而 CAN2.0B passive 只能处理标准数据帧，扩展帧的内容会忽略。它的设计目标是，
以最小的 CPU 负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求(优先级特性
可软件配置)。

STM32F1 的 bxCAN 的主要特点有：

支持 CAN 协议 2.0A 和 2.0B 主动模式
波特率最高达 1Mbps
支持时间触发通信
具有 3 个发送邮箱
具有 3 级深度的 2 个接收 FIFO
可变的过滤器组（最多 28 个）

过滤器组的位宽和工作模式

为了过滤出一组标识符，应该设置过滤器组工作在屏蔽位模式。
为了过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。应用程序不用的过滤器组，应该保持在禁用状态。

优先级：32位>16位，标识符列表>屏蔽位，过滤号小的优先级高。

举例说明：过滤器组0工作在：1个32位过滤器-标识符屏蔽模式，CAN_F0R1=0XFFFF0000，CAN_F0R2=0XFF00FF00，

1.2.6 CAN收发流程

CAN发送

程序选择 1 个空置的邮箱（TME=1） →设置标识符（ID），数据长度和发送数据→设置 CAN_TIxR 的 TXRQ 位为 1，请求发送→邮箱挂号（等待成为最高优先级） →预定发送（等待总线空闲） →发送→邮箱空置。

CAN接收

FIFO 空→收到有效报文→挂号_1（存入 FIFO 的一个邮箱，这个由硬件控制，我们不需要理会） →收到有效报文→挂号_2→收到有效报文→挂号_3→收到有效报文溢出。

通过查询 CAN_RFxR 的 FMP 寄存器来得到，只要 FMP不为 0，我们就可以从 FIFO 读出收到的报文。

STM32的CAN位时间特性：

1.3 CAN寄存器

CAN_MCR：INRQ位，先设置为1，初始化，设置为0，正常工作。
CAN_BTR：设置分频，Tbs1，Tbs2及Tsjw等参数，进而设置波特率。可以设置环回模式。
CAN_TIxR：设置标识符，帧类型。TXRQ请求邮箱发送。x=0~3。
CAN_TDTxR：设置数据长度。
CAN_TDLxR、CAN_TDHxR：数据。
CAN_RIxR：设置接收标识符。
CAN_FM1R：设置28个过滤器的模式。
CAN_FS1R：设置各过滤器组的位宽。
CAN_FFA1R：设置报文存放的FIFO。
CAN_FA1R：过滤器激活寄存器。
CAN_FiRx：过滤器位。i=0~13,x=1或2。

二、程序设计

2.1 CAN的HAL驱动

HAL_CAN_Init函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Init(CAN_HandleTypeDef *hcan);


typedef struct __CAN_HandleTypeDef
{
    CAN_TypeDef *Instance; /* CAN 控制寄存器基地址 */
    CAN_InitTypeDef Init; /* 初始化参数结构体 */
    __IO HAL_CAN_StateTypeDef State; /* CAN 通讯状态 */
    __IO uint32_t ErrorCode; /* CAN 通讯结果编码 */
} CAN_HandleTypeDef;

typedef struct
{
    uint32_t Prescaler; /* 分频值， 可以配置为 1~1024 间的任意整数 */
    uint32_t Mode; /* can 操作模式，有效值参考 CAN_operating_mode 的描述 */
    uint32_t SyncJumpWidth; /* CAN 硬件的最大超时时间 */
    uint32_t TimeSeg1; /* CAN_time_quantum_in_bit_segment_1 */
    uint32_t TimeSeg2; /* CAN_time_quantum_in_bit_segment_2 */
    FunctionalState TimeTriggeredMode; /* 启用或禁用时间触发模式 */
    FunctionalState AutoBusOff; /* 禁止/使能软件自动断开总线的功能 */
    FunctionalState AutoWakeUp; /* 禁止/使能 CAN 的自动唤醒功能 */
    FunctionalState AutoRetransmission; /* 禁止/使能 CAN 的自动传输模式 */
    FunctionalState ReceiveFifoLocked; /* 禁止/使能 CAN 的接收 FIFO */
    FunctionalState TransmitFifoPriority; /* 禁止/使能 CAN 的发送 FIFO */
} CAN_InitTypeDef;

HAL_CAN_ConfigFilter 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_ConfigFilter(CAN_HandleTypeDef *hcan,
    CAN_FilterTypeDef *sFilterConfig)

typedef struct
{
    uint32_t FilterIdHigh; /* 过滤器标识符高位 */
    uint32_t FilterIdLow; /* 过滤器标识符低位 */
    uint32_t FilterMaskIdHigh; /* 过滤器掩码号高位（列表模式下，也是属于标识符） */
    uint32_t FilterMaskIdLow; /* 过滤器掩码号低位（列表模式下，也是属于标识符） */
    uint32_t FilterFIFOAssignment; /* 与过滤器组管理的 FIFO */
    uint32_t FilterBank; /* 指定过滤器组， 单 CAN 为 0~13， 双 CAN 可为 0~27 */
    uint32_t FilterMode; /* 过滤器的模式 标识符屏蔽位模式/标识符列表模式 */
    uint32_t FilterScale; /* 过滤器的位宽 32 位/16 位 */
    uint32_t FilterActivation; /* 禁用或者使能过滤器 */
    uint32_t SlaveStartFilterBank; /* 双 CAN 模式下，规定 CAN 的主从模式的过滤器分配 */
} CAN_FilterTypeDef;

HAL_CAN_Start 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Start(CAN_HandleTypeDef *hcan);

HAL_CAN_ActivateNotification 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_ActivateNotification(CAN_HandleTypeDef *hcan,
    uint32_t ActiveITs);

HAL_CAN_AddTxMessage 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_AddTxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan,
    CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[], uint32_t *pTxMailbox)

typedef struct
{
uint32_t StdId; /* 标准标识符 11 位 范围:0~0x7FF */
uint32_t ExtId; /* 扩展标识符 29 位 范围:0~0x1FFFFFFF */
uint32_t IDE; /* 标识符类型 CAN_ID_STD / CAN_ID_EXT */
uint32_t RTR; /* 帧类型 CAN_RTR_DATA / CAN_RTR_REMOTE */
uint32_t DLC; /* 帧长度 范围:0~8byte */
FunctionalState TransmitGlobalTime; /* 时间戳是否在开始时捕获 */
} CAN_TxHeaderTypeDef;

HAL_CAN_GetRxMessage 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, 
uint32_t RxFifo, CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[])


typedef struct
{
    uint32_t StdId; /* 标准标识符 11 位 范围:0~0x7FF */
    uint32_t ExtId; /* 扩展标识符 29 位 范围:0~0x1FFFFFFF */
    uint32_t IDE; /* 标识符类型 CAN_ID_STD / CAN_ID_EXT */
    uint32_t RTR; /* 帧类型 CAN_RTR_DATA / CAN_RTR_REMOTE */
    uint32_t DLC; /* 帧长度 范围:0~8byte */
    uint32_t Timestamp; /* 在帧接收开始时开始捕获的时间戳 */
    uint32_t FilterMatchIndex; /* 过滤器匹配序号 */
} CAN_RxHeaderTypeDef;

2.2 CAN初始化配置步骤

1.CAN参数初始化

can_init(CAN_SJW_1TQ, CAN_BS2_8TQ, CAN_BS1_9TQ, 4, CAN_MODE_LOOPBACK);//500Kbps

2.开启CAN和对应管脚时钟，配置CAN_TX和CAN_RX的复用功能输出

3.设置过滤器

4.CAN数据接收和发送

/**
* @brief CAN 发送一组数据
* @note 发送格式固定为: 标准 ID, 数据帧
* @param id : 标准 ID(11 位)
* @retval 发送状态 0, 成功; 1, 失败;
*/
uint8_t can_send_msg(uint32_t id, uint8_t *msg, uint8_t len)
{
    uint32_t TxMailbox = CAN_TX_MAILBOX0;
    g_canx_txheader.StdId = id; /* 标准标识符 */
    g_canx_txheader.ExtId = id; /* 扩展标识符(29 位) */
    g_canx_txheader.IDE = CAN_ID_STD; /* 使用标准帧 */
    g_canx_txheader.RTR = CAN_RTR_DATA; /* 数据帧 */
    g_canx_txheader.DLC = len;
    if (HAL_CAN_AddTxMessage(&g_canx_handler, &g_canx_txheader,
        msg, &TxMailbox) != HAL_OK) /* 发送消息 */
    {
        return 1;
    }
    /* 等待发送完成,所有邮箱为空(3 个邮箱) */
    while (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&g_canx_handler) != 3);
    return 0;
}

/**
* @brief CAN 接收数据查询
* @note 接收数据格式固定为: 标准 ID, 数据帧
* @param id : 要查询的 标准 ID(11 位)
* @param buf : 数据缓存区
* @retval 接收结果
* @arg 0 , 无数据被接收到;
* @arg 其他, 接收的数据长度
*/
uint8_t can_receive_msg(uint32_t id, uint8_t *buf)
{
    if (HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(&g_canx_handler, CAN_RX_FIFO0) != 1)
    {
        return 0;
    }
    if (HAL_CAN_GetRxMessage(&g_canx_handler, CAN_RX_FIFO0, &g_canx_rxheader,
        buf) != HAL_OK)
    {
        return 0;
    }
    /* 接收到的 ID 不对 / 不是标准帧 / 不是数据帧 */
    if (g_canx_rxheader.StdId!= id || g_canx_rxheader.IDE != CAN_ID_STD ||
        g_canx_rxheader.RTR != CAN_RTR_DATA)
    {
        return 0;
    }
    return g_canx_rxheader.DLC;
}