初学stm32 --- CAN

目录

CAN介绍

CAN总线拓扑图

CAN总线特点

CAN应用场景

CAN物理层

CAN收发器芯片介绍

 CAN协议层

数据帧介绍

CAN位时序介绍 

数据同步过程

硬件同步

 再同步

CAN总线仲裁

STM32 CAN控制器介绍

CAN控制器模式

 CAN控制器模式

 CAN控制器框图

发送处理

接收处理

 接收过滤器

CAN控制器位时序

CAN相关寄存器介绍（F1 / F4 / F7）

CAN主控制寄存器（CAN_MCR）

CAN位时序寄存器（CAN_BTR）

CAN 标识符寄存器（CAN_(T/R)IxR）

数据长度和时间戳寄存器（CAN_(T/R)DTxR）

 CAN低位数据寄存器（CAN_(T/R)DLxR）

 CAN高位数据寄存器（CAN_(T/R)DHxR）

 CAN过滤器位宽寄存器（CAN_FS1R）

CAN 过滤器FIFO关联寄存器（CAN_FFA1R）

CAN 过滤器组x寄存器（CAN_FxR(1/2)）

CAN相关HAL库驱动介绍

CAN外设相关重要结构体：

结构体成员与寄存器情况

CAN基本驱动步骤

过滤器组设置实例：

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CAN介绍

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

        为了满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。

        低速CAN(ISO11519)通信速率10~125Kbps，总线长度可达1000米

        高速CAN(ISO11898)通信速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米(经典CAN)

        CAN FD 通信速率可达5Mbps，并且兼容经典CAN，遵循ISO 11898-1 做数据收发

        更多CAN的历史知识，可以上CAN in Automation(CiA) 官网了解。

CAN总线拓扑图

         终端电阻，用于阻抗匹配，以减少回波反射

        CAN总线由两根线（ CANL 和 CANH ）组成，允许挂载多个设备节点（低速CAN:20 高速CAN:30）。

CAN总线特点

  1）多主控制                  每个设备都可以主动发送数据

  2）系统的柔软性           没有类似地址的信息，添加设备不改变原来总线的状态

  3）通信速度                  速度快，距离远

  4）错误检测&错误通知&错误恢复功能

  5）故障封闭                  判断故障类型，并且进行隔离

  6）连接节点多              速度与数量找个平衡

CAN应用场景

        CAN总线协议已广泛应用在汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN物理层

        CAN使用差分信号进行数据传输，根据CAN_H和CAN_L上的电位差来判断总线电平。

        总线电平分为显性电平(逻辑0)和隐性电平(逻辑1)，二者必居其一。

        显性电平具有优先权。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

电平	高速CAN	低速CAN
显性电平（0）	UCAN_H – UCAN_L=  2V	UCAN_H – UCAN_L = 3V
隐性电平（1）	UCAN_H – UCAN_L = 0V	UCAN_H – UCAN_L = - 1.5V

CAN收发器芯片介绍

 CAN协议层

          CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

数据帧介绍

        数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)，主要体现在仲裁段和控制段。

CAN位时序介绍 

        CAN总线以“位同步”机制，实现对电平的正确采样。位数据都由四段组成：同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2)，每段又由多个位时序Tq组成。

        注意 : 节点监测到总线上信号的跳变在SS段范围内，表示节点与总线的时序是同步，此时采样点的电平即该位的电平。

        采样点是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。

        根据位时序，就可以计算CAN通信的波特率。

数据同步过程

        由于时钟频率误差、传输上的相位延迟引起偏差，所以需要数据同步

        CAN为了实现对总线电平信号的正确采样，数据同步分为硬件同步和再同步。

硬件同步

        节点通过CAN总线发送数据，一开始发送帧起始信号。总线上其他节点会检测帧起始信号在不在位数据的SS段内，判断内部时序与总线是否同步。

        假如不在SS段内，这种情况下，采样点获得的电平状态是不正确的。所以，节点会使用硬件同步方式调整， 把自己的SS段平移到检测到边沿的地方，获得同步，同步情况下，采样点获得的电平状态才是正确的。

 再同步

        再同步利用普通数据位的边沿信号（帧起始信号是特殊的边沿信号）进行同步。

        再同步的方式分为两种情况：超前和滞后，即边沿信号与SS段的相对位置。

        再同步时，PSB1和PSB2中增加或者减少的时间被称为“再同步补偿宽度（SJW）”,其范围：1~4 Tq。

          限定了SJW值后，再同步时，不能增加限定长度的SJW值。SJW值较大时，吸收误差能力更强，但是通讯速度会下降。

        

CAN总线仲裁

决定优先级

        CAN总线处于空闲状态，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，从仲裁段(报文ID)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，即首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权变为接收。

        

         竞争失败单元，会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。

STM32 CAN控制器介绍

        STM32 CAN控制器（bxCAN），支持CAN 2.0A 和 CAN 2.0B Active版本协议。

        CAN 2.0A 只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会识别错误，而CAN 2.0B Active 可以处理标准数据帧和扩展数据帧。CAN 2.0B Passive只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会忽略。

bxCAN主要特点：

   波特率最高可达1M bps

   支持时间触发通信（CAN的硬件内部定时器可以在TX/RX的帧起始位的采样点位置生成时间戳）

   具有3级发送邮箱

   具有3级深度的2个接收FIFO

   可变的过滤器组（最多28个）（F1只有14个）

CAN控制器模式

        CAN控制器的工作模式有三种：初始化模式、正常模式和睡眠模式。

 CAN控制器模式

CAN控制器的测试模式有三种：静默模式、环回模式和环回静默模式。（初始化模式下进行配置）

 CAN控制器框图

 1）CAN内核

        包含各种控制/状态/配置寄存器，可以配置模式、波特率等

2）发送邮箱

        用来缓存待发送的报文，最多可以缓存3个报文

3）接收FIFO

        缓存接收到的有效报文

4）接收过滤器

        筛选有效报文

发送处理

接收处理

 接收过滤器

        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。

        每个过滤器组都有两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2。根据过滤器组的工作模式(位宽和选择模式)不同，寄存器的作用不尽相同。

        选择模式可设置屏蔽位模式或标识符列表模式，寄存器内容的功能就有所区别。

        屏蔽位模式，可以选择出一组符合条件的报文。寄存器内容功能相当于是否符合条件。

        标识符列表模式，可以选择出几个特定ID的报文。寄存器内容功能就是标识符本身。

        REG中bit值代表的是匹配与否：1必须匹配 0不用关心

        屏蔽位寄存器中位值为1，表示与ID要必须匹配；位值为0，表示可不与ID匹配。

        在使能过滤器情况下，总线上广播的报文ID与过滤器的配置都不匹配，CAN控制器会丢弃该报文，不会进入到接收FIFO中。

        注意：标识符选择位IDE和帧类型RTR需要一致。不同过滤器组的工作模式可以设置为不同。

CAN控制器位时序

STM32的CAN外设位时序分为三段：

        同步段 SYNC_SEG、        时间段1 BS1（PTS + PBS1）、        时间段2 BS2

STM32F103，设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps。

STM32F407，设TS1=6、TS2=5、BRP=5，波特率 = 42000 / [( 7 + 6 + 1 ) * 6] = 500Kbps。

  注意：通信双方波特率需要一致才能通信成功。

CAN相关寄存器介绍（F1 / F4 / F7）

CAN主控制寄存器（CAN_MCR）

 INRQ位，用于控制初始化请求。

CAN位时序寄存器（CAN_BTR）

 STM32F103，设TS1=8、TS2=7、BRP=3，波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps

CAN 标识符寄存器（CAN_(T/R)IxR）

 x范围：1~3，3个发送邮箱                x范围：1~2，2个接收FIFO邮箱

         报文使用标准标识符，EXID[17:0]值无效

        TxRQ位置1，请求邮箱发送

        注意：报文使用扩展标识符时，STID[10:0]等效于EXID[28:18]，与EXID[17:0]组成29位扩展标识符。

        

数据长度和时间戳寄存器（CAN_(T/R)DTxR）

 x范围：1~3，3个发送邮箱                x范围：1~2，2个接收FIFO邮箱

        注意：DLC是多少，数据内容就有多少字节被发送，并不是每次都发送8个字节数据。

 CAN低位数据寄存器（CAN_(T/R)DLxR）

 CAN高位数据寄存器（CAN_(T/R)DHxR）

使用时间戳功能DLC必须为8字节

CAN过滤器模式寄存器（CAN_FM1R）

 CAN过滤器位宽寄存器（CAN_FS1R）

        注意：CAN外设只能使用的有的过滤器组，不能使用没有的过滤器组。 

CAN 过滤器FIFO关联寄存器（CAN_FFA1R）

该寄存器决定了哪个FIFO寄存器有效（即RIxR、RDTxR、RDLxR、RDHxR的‘x’)。 

CAN 过滤器组x寄存器（CAN_FxR(1/2)）

CAN相关HAL库驱动介绍

CAN外设相关重要结构体：

CAN_InitTypeDef、CAN_FilterTypeDef和CAN_(T/R)xHeaderTypeDef

CAN_InitTypeDefuint32_t Prescaler			/* 预分频 */
uint32_t Mode				/* 工作模式 */
uint32_t SyncJumpWidth		/* 再次同步跳跃宽度 */
uint32_t TimeSeg1			/* 时间段1(BS1)长度 */
uint32_t TimeSeg2			/* 时间段2(BS2)长度 */
uint32_t TimeTriggeredMode	/* 时间触发通信模式 */
uint32_t AutoBusOff			/* 总线自动关闭 */
uint32_t AutoWakeUp			/* 自动唤醒 */
uint32_t AutoRetransmission 	/* 自动重传 */
uint32_t ReceiveFifoLocked		/* 接收FIFO锁定 */
uint32_t TransmitFifoPriority	/*  传输FIFO优先级 */

CAN_FilterTypeDefuint32_t FilterIdHigh			/* ID高字节 */
uint32_t FilterIdLow			/* ID低字节 */
uint32_t FilterMaskIdHigh	 	/* 掩码高字节 */
uint32_t FilterMaskIdLow		/* 掩码低字节 */
uint32_t FilterFIFOAssignment	/* 过滤器关联FIFO */
uint32_t FilterBank			/* 选择过滤器组 */
uint32_t FilterMode			/* 过滤器模式*/
uint32_t FilterScale			/* 过滤器位宽 */
uint32_t FilterActivation		/* 过滤器使能 */
Uint32_t SlaveStartFilterBank 	/* 从CAN选择启动过滤器组 单CAN没有意义*/

结构体成员与寄存器情况

 

CAN基本驱动步骤

1、CAN参数初始化

        工作模式、波特率等        HAL_CAN_Init

2、使能CAN时钟和初始化相关引脚

        GPIO模式设为复用功能模式        HAL_CAN_MspInit

3、设置过滤器

        HAL_CAN_ConfigFilter 完成过滤器的初始化

4、CAN数据接收和发送

        HAL_CAN_AddTxMessage 发送消息

        HAL_CAN_ GetRxMessage 接收数据

5、使能CAN相关中断/设置NVIC/编写中断服务函数

        __HAL_CAN_ENABLE_IT （可选）

过滤器组设置实例：

 

关于CAN中断 

        启用 CAN 接收 FIFO0 消息挂起中断

__HAL_CAN_ENABLE_IT(&g_can_handle_struct, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);

• __HAL_CAN_ENABLE_IT：这是 STM32 HAL 库提供的一个宏，用于启用 CAN 外设的中断。
• CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING：这个参数表示启用 CAN 接收 FIFO0 消息挂起中断。
  • 当 CAN 接收 FIFO0 中有新的消息并且该消息已经准备好时，控制器会触发一个中断，允许外部应用程序处理接收到的消息。
  • FIFO（先进先出队列）用于存储接收到的 CAN 消息，FIFO0 是第一个 FIFO 队列，STM32 的 CAN 控制器通常有多个 FIFO 队列。

是的，您的理解是正确的。进入挂起中断后，您可以读取 can_rxheader_struct.StdId，因为当 CAN 控制器收到数据并通过过滤器后，会将其存放到 FIFO 队列中。中断会在 FIFO 中有新消息时触发，并通过 HAL 函数 HAL_CAN_GetRxMessage 将数据读取出来。

详细解释：

1. CAN 接收机制概述

• CAN 总线是一个广播式协议，当总线上有设备发送消息时，所有连接的设备都能接收到这条消息。
• 过滤器：CAN 控制器通常配置了过滤器来筛选感兴趣的消息，只有经过过滤器允许的消息才会被接收并存储到接收 FIFO 中。STM32 的 CAN 控制器可以通过配置多个过滤器来选择哪些消息应当接收。
• FIFO 队列：接收到的有效消息会被存储到接收 FIFO（如 FIFO0）。消息排队存储，等待被中断服务程序处理。

2. 中断触发

当接收到一条消息，并且通过了过滤器的检查后，消息就会被存储到 FIFO 中。此时，如果启用了接收中断（例如通过 CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING），并且 FIFO 中有新消息，CAN 中断会被触发。

3. 读取接收的消息

• 在进入中断处理函数 USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler 后，您可以通过 HAL_CAN_GetRxMessage 函数读取接收到的消息，并将消息的相关信息（如标识符）和数据存储到相应的结构体中。
• 读取的消息头信息（如 StdId、IDE、RTR、DLC 等）通常存储在 CAN_RxHeaderTypeDef 结构体中

4. 总结

• 数据是被动接收的：当总线上有数据并且经过了过滤器的过滤，符合条件的消息会被存储到 FIFO 中。
• 进入中断后，可以读取 can_rxheader_struct.StdId：一旦中断被触发，您可以通过 HAL_CAN_GetRxMessage 读取消息的标识符和数据，标识符信息存储在 can_rxheader_struct.StdId 中。
• 过滤器的作用：过滤器用于筛选总线上接收到的消息，只有符合条件的消息才会存放到 FIFO 中，并触发中断。