STM32提高篇: CAN通讯

一.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。

1.物理层

CAN网络节点：一个CAN控制器，生成逻辑信号。一个CAN收发器，负责将总线上来的数据转换成逻辑信号交给控制器，如果想往外发数据控制器将逻辑信号给收发器，收发器再将逻辑信号转换为高低电平放到总线上。
控制器一般由MCU提供，收发器一般由专门的芯片提供。控制器和收发器间由CAN_Tx和CAN_Rx信号线相连。收发器与CAN总线之间使用CAN_High和CAN_Low信号线相连。

CAN网络节点发数据：
控制器将要发送的二进制编码通过CANTX线发送到收发器，收发器将逻辑信号转化为差分信号，通过CANHigh和CANLow线输出到CAN总线网络。

CAN网络节点收数据：
收发器把总线上收到的CANHigh及CANLow信号转化成普通的逻辑电平信号，通过CANRx输出到控制器中。

CAN总线网络：

闭环总线网络：

开环总线网络：

差分信号：

优缺点：

逻辑电平定义：

2.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；相反，可以认为报文是通过内容寻址，也就是说，报文的内容隐式地确定其地址。
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。
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。
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。
错误帧：
错误帧当检测出错误时向其他单元通知错误的帧。
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。
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。
数据帧介绍：
标准格式有2种数据帧，标准帧和扩展帧。
标准帧：
帧起始

仲裁段
多个ID同时发显性位多（0多）胜出。

控制段

数据段

CRC校验

ACK应答

EOF段

扩展帧和标准帧区别：

远程帧介绍：
与数据帧相比没有数据段。

CAN总线仲裁：

CAN的位时序：

同步段

相位缓冲段

采样点

CAN的数据同步：

CAN的波特率：

二.STM32CAN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。（CAN2.0A只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会织别错误。而CAN2.0 B Active可以处理标准数据帧和扩展数据帧。CAN2.0 B Passive只能处理标准数据帧而扩展帧的内容会被忽略）。
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。

1.CAN控制器的3种工作模式

分别为：初始化模式，正常模式，睡眠模式。

2.CAN控制器的3种测试模式

有3种测试模式：静默模式、环回模式、环回静默模式。当控制器进入初始化模式的时候才可以配置测试模式。
静默模式可以检测总线的数据流量。环回模式可以用于自检（影响总线）。环回静默模式也用于自检，不会影响总线。

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）：
做用：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。
2种过滤模式：
（1）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。
（2）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。
如果使能了筛选器，且报文的ID与所有筛选器的配置都不匹配，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：
（1）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。
（2）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。
STM32种CAN的位时序：
STM32 外设定义的位时序与我们前面