CAN基础知识

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。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种 各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求 不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、 “通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向 汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已 是汽车网络的标准协议。

现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、 工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的 技术支持。

CAN 协议具有一下特点：

1） 多主控制。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。

2） 系统的柔软性。与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元 时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

3） 通信速度较快，通信距离远。最高1Mbps（距离小于40M），最远可达10KM（速率低 于5Kbps）。

4） 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。所有单元都可以检测错误（错误检测功 能），检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的 单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发 送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

5） 故障封闭功能。CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声 等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线 上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

6） 连接节点多。CAN总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是 没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信 速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

正是因为 CAN 协议的这些特点，使得 CAN 特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越 来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

CAN 协议经过 ISO 标准化后有两个标准：ISO11898 标准（高速 CAN）和 ISO11519-2 标准 （低速CAN）。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。

CAN物理层

本章，我们使用的是 ISO11898 标准，也就是高速 CAN，其拓扑图如图 37.1.1.1 所示。从上图可知，高速 CAN 总线呈现的是一个闭环结构，总线是由两根线 CAN_High 和 CAN_Low 组成，且在总线两端各串联了 120Ω的电阻（用于阻抗匹配，减少回波反射），同时 总线上可以挂载多个节点。每个节点都有 CAN 收发器以及 CAN 控制器，CAN 控制器通常是 MCU 的外设，集成在芯片内部；CAN 收发器则是需要外加芯片转换电路。

CAN 类似 RS485 也是通过差分信号传输数据。根据 CAN 总线上两根线的电位差来判断总 线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。这是属于物理层特征，ISO11898 物理层特性如图 37.1.1.2 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 2V 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）

CAN 协议层

CAN 协议是通过以下 5 种类型的帧进行的：

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。各种帧的用途如表 37.1.2.1 所示：由于篇幅所限，我们这里仅对数据帧进行详细介绍，数据帧一般由 7 个段构成，即：

帧起始。表示数据帧开始的段。

仲裁段。表示该帧优先级的段。

控制段。表示数据的字节数及保留位的段。

数据段。数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据。

CRC 段。检查帧的传输错误的段。

ACK 段。表示确认正常接收的段。

帧结束。表示数据帧结束的段。

数据帧的构成如图 37.1.2.1 所示：图中 D 表示显性电平，R 表示隐形电平（下同）。

帧起始，这个比较简单，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，如图 37.1.2.2 所示：标准格式的 ID 有 11 个位。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）。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。标准帧和扩展帧的控制段稍有不同，如图 37.1.2.3 所示：上图中，r0 和 r1 为保留位，必须全部以显性电平发送，但是接收端可以接收显性、隐性及 任意组合的电平。DLC 段为数据长度表示段，高位在前，DLC 段有效值为 0~8，但是接收方接 收到 9~15 的时候并不认为是错误。

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。如图 37.1.2.4 所示：

 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。如图 37.1.2.5 所示：此段 CRC 的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计 算 CRC 值并进行比较，不一致时会通报错误。

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。如图 37.1.2.6 所示：发送单元的 ACK，发送 2 个位的隐性位，而接收到正确消息的单元在 ACK 槽（ACK Slot） 发送显性位，通知发送单元正常接收结束，这个过程叫发送 ACK/返回 ACK。发送 ACK 的是在 既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不 发送 ACK）。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC 错误的消息。

帧结束，这个段也比较简单，标准帧和扩展帧在这个段格式一样，由 7 个位的隐性位组成。

CAN 位时序

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。

⚫ 同步段（SS）

⚫ 传播时间段（PTS）

⚫ 相位缓冲段 1（PBS1）

⚫ 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。各段的作用和 Tq 数如表 37.1.2.2 所示：1 个位的构成如图 37.1.2.7 所示：上图的采样点，是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。 根据这个位时序，我们就可以计算 CAN 通信的波特率了。

CAN 协议仲裁功能

在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。当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。实现过程， 如图 37.1.2.8 所示：上图中，单元 1 和单元 2 同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的， 故无法区分优先级，直到 T 时刻，单元 1 输出隐性电平，而单元 2 输出显性电平，此时单元 1 仲裁失利，立刻转入接收状态工作，不再与单元 2 竞争，而单元 2 则顺利获得总线使用权，继 续发送自己的数据。这就实现了仲裁，让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。

CAN 控制器

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；CAN2.0BActive 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)。对于安全紧要的应用，bxCAN 提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。

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）

在 STM32 互联型产品中，带有 2 个 CAN 控制器，而我们使用的 STM32F103ZET6 属于增 强型，不是互联型，只有 1 个 CAN 控制器。双 CAN 的框图如图 37.1.2.9 所示：从图中可以看出两个 CAN 都分别拥有自己的发送邮箱和接收 FIFO，但是他们共用 28 个 过滤器。通过 CAN_FMR 寄存器的设置，可以设置过滤器的分配方式。

STM32 的标识符过滤比较复杂，它的存在减少了 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），每个过滤器组 x 由 2 个 32 为寄存器，CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 组成。

STM32F1 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。

通过 CAN_FMR 寄存器，可以配置过滤器组的位宽和工作模式，如图 37.1.2.10 所示：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。

过滤器组中的每个过滤器，都被编号为(叫做过滤器号，图 37.1.2.9 中的 n)从 0 开始，到某 个最大数值－取决于过滤器组的模式和位宽的设置。

举个简单的例子，我们设置过滤器组 0 工作在：1 个 32 为位过滤器-标识符屏蔽模式，然后 设置 CAN_F0R1=0XFFFF0000，CAN_F0R2=0XFF00FF00。其中存放到 CAN_F0R1 的值就是期 望收到的 ID，即我们希望收到的映像（STID+EXTID+IDE+RTR）最好是：0XFFFF0000。而 0XFF00FF00 就是设置我们需要必须关心的 ID，表示收到的映像，其位[31:24]和位[15:8]这 16 个位的必须和 CAN_F0R1 中对应的位一模一样，而另外的 16 个位则不关心，可以一样，也可 以不一样，都认为是正确的 ID，即收到的映像必须是 0XFFxx00xx，才算是正确的（x 表示不关 心），这里需要注意的是标识符选择位 IDE 和帧类型 RTR 需要一致。其情况如下图 37.1.2.11 所 示：接下来，我们看看 STM32 的 CAN 发送和接收的流程。

CAN 发送流程

CAN 发送流程为：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。整个流程如图 37.1.2.12 所示：上图中，还包含了很多其他处理，发送中止请求（ABRQ=1）和发送失败处理等。通过这个 流程图，我们大致了解了 CAN 的发送流程，后面的数据发送，我们基本就是按照此流程来走。

CAN 接收流程

CAN 接收到的有效报文，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。这里的有效报文是指那些正确被接收的（直到 EOF 都没有错误）且通过了标识符过滤的报文。前面我们知道 CAN 的接收有 2 个 FIFO，我们每个 过滤器组都可以设置其关联的 FIFO，通过 CAN_FFA1R 的设置，可以将过滤器组关联到 FIFO0/FIFO1。

CAN 接收流程为：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。

这个流程里面，我们没有考虑从 FIFO 读出报文的情况，实际情况是：我们必须在 FIFO 溢 出之前，读出至少 1 个报文，否则下个报文到来，将导致 FIFO 溢出，从而出现报文丢失。每读 出 1 个报文，相应的挂号就减 1，直到 FIFO 空。CAN 接收流程如图 37.2.1.13 所示：FIFO 接收到的报文数，我们可以通过查询 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 位时序特性

接下来，我们简单看看 STM32 的 CAN 位时间特性，STM32 的 CAN 位时间特性和之前我 们介绍的 CAN 协议中，稍有点区别。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 37.2.1.14 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=8、TS2=7 和 BRP=3， 在 APB1 频率为 36Mhz 的条件下，即可得到 CAN 通信的波特率=36000/[(9+8+1)*4]=500Kbps。