十六、CAN
1.CAN简介
CAN协议,全称为Controller Area Network(控制器局域网络),是一种广泛应用的串行通信协议,最初由 德国BOSCH公司开发,并已成为国际标准。 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。
定义:CAN协议是一种基于差分信号的异步串行通信协议,采用双绞线作为传输介质,具有高性能、高 可靠性和独特的设计特点
特点:
多主控制:支持多主方式,即任何一个节点都可以在总线上发送数据,其他节点根据需要进行接 收。当两个以上的节点同时开始发送数据时,会根据标识符(ID)决定优先级。
系统柔软性: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 上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。
仲裁检测
通信速度快、距离远:数据传输速率较高,标准速率为125kbps,扩展速率可达1Mbps,且通信 距离远,最远可达10KM(速率低于5Kbps)。
错误检测与恢复:具有错误检测、错误通知和错误恢复功能,能够确保数据传输的可靠性。
故障封闭功能:能够判断出错误的类型,并将引起故障的单元从总线上隔离出去。
应用领域汽车 ECU之间通讯,工业自动化,航空航天
2. CAN物理层介绍
CAN网络通常由CAN控制器、CAN收发器和双绞线组成。
CAN控制器:负责处理数据的收发和协议转换。
CAN收发器:负责将控制器的数字信号转换为差分信号 进行传输,同时也负责将总线上的差分信号转换 为数字信号供控制器处理。
终端电阻: 在高速CAN总线的两端分别连接一个电阻,称为终端电阻。终端电阻的主要作用是匹配总线阻抗,提高 信号质量,减少回波反射。一般来说,终端电阻的阻值为120Ω。
2.1 总线拓扑图
2.2 电平标准
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。
显性电平表示逻辑 0 ,通常 CAN_H 和 CAN_L 有 2V 的压差;
隐性电平表示逻辑 1 ,通常 CAN_H 和 CAN_L 有 0V 的压差。
显性电平在通信中具有优先权,能够覆盖隐性电平,确保数据的正确传输。
隐性电平则作为总线的空闲或监听状态存在,等待有节点发送数据。
正常情况下是隐性电平---显隐压差不同
2.3 CAN控制器与收发器
不用交叉接线
3、CAN协议层介绍
3.1 CAN帧种类介绍
1. 数据帧(Data Frame):数据帧是CAN总线上用于传输用户数据的帧,包括必要的帧头、标识符、控 制位、数据长度代码、数据域、CRC校验码和应答域等部分,是CAN通信中最基本和最重要的帧类型。
2. 遥控帧(Remote Frame):遥控帧用于向总线上的其他节点请求发送具有相同标识符的数据帧,它 没有数据域,仅通过标识符来指定所需的数据。遥控帧的帧结构与数据帧相似,但缺少数据部分。
裁判
3. 错误帧(Error Frame):当CAN总线上的任何节点检测到通信错误时,会发送错误帧来通知其他节 点。错误帧包含错误标志和错误界定符,用于指示错误的存在和类型。
4. 过载帧(Overload Frame):过载帧用于在连续的数据帧或远程帧之间提供额外的延时,以指示接收 节点尚未准备好接收下一个帧。当接收节点因内部条件限制而无法立即接收数据时,会发送过载帧来请 求发送节点暂停发送。
5. 帧间隔(Interframe Space):帧间隔用于隔离数据帧与前面的帧,确保它们之间的时间间隔足够 长,以避免总线上的冲突和数据丢失。帧间隔包括连续三个隐性位(间隔段)和可能存在的空闲段,用于将数据帧或远程帧与前面的帧分隔开来。
3.2 CAN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。
- 帧起始(Frame Start): 功能:表示数据帧的开始。 特点:由一个显性位(Dominant Bit)构成,此时CAN_H为高电平(如3.5V),CAN_L为低电平 (如1.5V),二者之间的电位差形成信号。 2. 仲裁段(Arbitration Field): 功能:确定发送优先级,并包含标识符(Identifier)用于唯一标识发送者和接收者之间的通信关 系。 组成: 标准数据帧的仲裁场由11位ID和1位RTR位(远程发送请求位)组成。RTR位用于区分数据帧 (显性电平)和遥控帧(隐性电平)。 扩展数据帧中,还包含SRR位(Substituted Remote Request,替代的远程请求)和IDE位 (Identifier Extension,标识符扩展)。SRR位用于指示发送方是否发送了远程请求帧,IDE 位用于指示标识符字段是否使用了扩展格式(29位)。 3. 控制段(Control Field): 功能:包含数据长度代码(DLC),用于定义数据帧中数据域的长度。 特点:DLC占4位,其取值范围为0到8个字节,表示数据帧中包含的数据字节数。 4. 数据段(Data Field): 功能:包含要传输的数据,是数据帧的主体部分。 特点:数据域的长度可以根据DLC字段的值从0到8个字节不等,数据从最高位(MSB)开始传 输。 5. CRC段(CRC Field): 功能:用于检测数据帧的传输错误。 特点:CRC(循环冗余校验)是一种通过对数据进行计算生成的校验码,发送方在发送数据帧时会 根据数据计算出CRC值,并将其添加到数据帧的CRC段中。接收方在接收到数据帧后会重新计算 CRC值,并与接收到的CRC值进行比较,以确认数据在传输过程中是否发生错误。 6. 应答段(ACK Field): 功能:用来确认数据帧的正常接收。 组成:由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符两个位构成。当接收节点成功解析了数据帧并确认无误 后,会在ACK槽中发送一个显性位作为应答信号。 7. 帧结束(Frame End): 功能:表示数据帧的结束。 特点:由7个连续的隐性位构成,标志着数据帧的传输完成。
-
3.3 CAN位时序
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。
-
所谓采样点是读取总线电平,并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。
CAN总线通过时钟同步机制来确保各个节点在通信过程中保持同步。时钟同步机制包括硬同步和再同步两 种:
1.硬同步:
硬同步只在帧的起始位(SOF)处进行。
当接收节点检测到帧起始位的下降沿时,会将其与自身的位时间进行对齐,从而实现同步。
2.再同步:
再同步在帧的后续数据位中进行。
如果接收节点检测到数据位的跳变沿不在自身的同步段内,则会通过延长或缩短相位缓冲段的时 间来调整自身的位时间,以重新获得同步。
再同步时,PBS1和PBS2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。
3.4 CAN仲裁机制
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。仲裁原理如下:
1.标识符优先级:
CAN总线中传输的数据帧的起始部分为数据的标识符(ID)。这个标识符不仅用于区分消息,还 表示消息的优先级。在CAN 2.0标准中,标识符可以是11位或29位(对于扩展帧)。标识符的数 值越小,优先级越高。
例如,在11位标识符的情况下,ID为0x000的消息具有最高优先级,而ID为0x7FF的消息具有最低 优先级。
2.逐位仲裁:
当两个或两个以上的节点同时开始传送报文时,就会产生总线访问冲突。此时,各节点会按照标 识符的位顺序逐位进行仲裁。
在仲裁过程中,每个节点都会将自己发送的电平与总线上的电平进行比较。如果电平相同,则节 点继续发送下一位;如果电平不同,则优先级低的节点停止发送,而优先级高的节点继续发送。 这种仲裁方式是非破坏性的,即优先级低的节点在仲裁过程中不会破坏总线上已经存在的数据。
3.显性电平优先
在CAN总线上,显性电平(逻辑0)的优先级高于隐性电平(逻辑1)。因此,在仲裁过程中,如 果某个节点发送的是隐性电平,但检测到总线上存在显性电平,那么该节点就会知道有更高优先 级的消息正在发送,并主动停止发送。
一旦仲裁结束,优先级最高的节点将获得总线控制权并开始传输数据。其他节点则成为接收节点并监听总线 上的数据,并会自动检测总线空闲,在第一时间再次尝试发送。
4.STM32 CAN控制器介绍
4.1CAN控制器介绍
STM32的bxCAN,即基本扩展CAN(Basic Extend CAN),是STM32微控制器系列中集成的CAN控制器模 块。
-
协议支持:支持CAN协议2.0A和2.0B的主动模式。
-
高波特率:波特率最高可达1兆位/秒。
-
时间触发通信:支持时间触发通信功能,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。
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发送功能:
具有3个发送邮箱,发送报文的优先级特性可软件配置。
记录发送SOF(Start Of Frame,帧起始)时刻的时间。
接收功能: 具有3级深度的2个FIFO(First In First Out,先进先出队列),每个FIFO都可以存放3个完整的报 文,完全由硬件管理。
共有14个位宽 可变的过滤器组(部分STM32型号可能支持更多),由整个CAN共享,用于筛选有 效报文。
记录接收SOF时刻的时间。
支持禁止自动重传模式。
4.2CAN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。
睡眠模式:在睡眠模式下,CAN控制器的时钟停止,以降低功耗。但软件仍然可以访问邮箱寄存器。
初始化模式 :在初始化模式下,禁止报文的接收和发送,并且CANTX引脚输出隐性位(高电平)。此时,可 以对CAN控制器的相关寄存器进行配置 ,如位时间特性 (CAN_BTR)和**控制(CAN_MCR)**等。
正常模式:作为总线的正常节点 ,可以向总线发送或接收数据。
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,主要用于特定的测试或调试目的,以 确保CAN控制器的功能正常。
静默模式
特点: 在静默模式下,CAN控制器可以正常地接收数据帧和远程帧,但只能发出隐性位,而不能真正发送报 文。
这意味着,虽然CAN控制器在尝试发送数据,但实际上它并没有在CAN总线上产生任何显性位,因此不 会对总线上的其他节点产生影响。
应用场景: 静默模式通常用于分析CAN总线的活动,而不会对总线上的其他通信造成干扰。
开发人员可以使用此模式来观察总线上的数据流,而无需担心他们的测试设备会发送出不必要的报文。
环回模式
特点:
在环回模式下,CAN控制器会把发送的报文当作接收的报文并保存(如果可以通过接收过滤)。
这意味着,当CAN控制器发送一个报文时,它会立即在自己的接收缓冲区中看到这个报文,就像它是从 总线上接收到的一样。
应用场景:
环回模式通常用于自测试,以验证CAN控制器的发送和接收功能是否正常。
通过发送一个报文并检查它是否被正确接收,开发人员可以确保CAN控制器的硬件
和固件都按预期工 作。
环回静默模式
特点:
环回静默模式结合了静默模式和环回模式的特点。
在该模式下,CANRX引脚与CAN总线断开,同时CANTX引脚被驱动到隐性位状态。
这意味着,虽然CAN控制器在尝试发送报文,但它实际上并没有在CAN总线上产生任何显性位,并且它 会将发送的报文视为接收到的报文。
应用场景:
环回静默模式通常用于"热自测试",即可以在不影响CANTX和CANRX所连接的整个CAN系统的情况下进 行测试。
这种模式允许开发人员在不干扰总线上的其他通信的情况下,验证CAN控制器的发送和接收功能。
4.2 CAN控制器框图
CAN控制内核:包含各种控制/状态/配置寄存器,用于配置CAN控制器的模式、波特率等参数。 发送邮箱(Transmit Mailbox):用来缓存待发送的CAN报文。STM32等微控制器通常具有多个发送
发送邮箱(Transmit Mailbox):用来缓存待发送的CAN报文。STM32等微控制器通常具有多个发送邮箱 (如3个),以支持同时缓存多个报文。
接收FIFO(First In First Out):缓存接收到的有效CAN报文。CAN控制器通常具有多个接收FIFO(如2 个),以提高接收效率。
接收过滤器(Receive Filter):筛选接收到的CAN报文,只将符合特定条件的报文保存到接收FIFO中。这 有助于减少CPU的处理负担,提高系统的响应速度。
接收处理过程:
有效报文指的是(数据帧直到EOF段的最后一位都没有错误),且通过过滤器组对
标识符过滤。
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。
STM32的CAN控制器支持配置过滤器组, 每个过滤器组包含2个32位的寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2, 用于 存储要筛选的ID或掩码。 对于STM32F103C8T6, 如果只有一个CAN控制器, 则可以配置14个过滤器组, 对 应的编号为0到13。
过滤器可以配置为不同的位宽,以适应不同长度的CAN ID。常见的位宽包括16位(用于标准帧)和32位 (用于扩展帧)。
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。
4.3 CAN控制器位时序
设TS1=8、TS2=7、BRP=3,波特率 = 36000 / [( 9 + 8 + 1 ) * 4] = 500Kbps。 注意:通信双方波特率需要一致才能通信成功。
CAN寄存器及库函数介绍
22.9.2 CAN控制和状态寄存器
CAN发送状态寄存器 (CAN_TSR)
CAN位时序寄存器 (CAN_BTR)
发送邮箱标识符寄存器 (CAN_TIxR) (x=0..2)
发送邮箱数据长度和时间戳寄存器 (CAN_TDTxR) (x=0..2)
位3:0 DLC[15:0]: 发送数据长度 (Data length code) 该域指定了数据报文的数据长度或者远程帧请求的数据长度。1个报文包含0到8个字节数据, 而这由DLC决定。
发送邮箱低字节数据寄存器 (CAN_TDLxR) (x=0..2)64位8字节 保存低字节
发送邮箱高字节数据寄存器 (CAN_TDHxR) (x=0..2)
22.9.4 CAN过滤器寄存器
CAN 过滤器模式寄存器 (CAN_FM1R)
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 i的寄存器x (CAN_FiRx)
(互联产品中 i=0..27**,其它产品中** i**=** 0..13**;**x=1..2)
根据过滤器位宽和模式的不同设置,过滤器组中的两个寄存器的功能也不尽相同。关于过滤器 的映射,功能描述和屏蔽寄存器的关联,请参见22.7.4节标识符过滤。
函数
HAL_CAN_Init
HAL_CAN_ConfigFilter
HAL_CAN_Start 收发数据
HAL_CAN_AddTxMessage
HAL_CAN_GetRxMessage
HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel 等待发送完成
HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel 等待接收完成
TimeSeg1
流程图
小实验:CAN收发实验
实验目的
- 使用回环模式实现自发自收;
2两个CAN设备实现收发。
硬件清单 TJA1050
为什么只能
为什么只能发数据却收不到数据
用NORMAL的时候就发给另一台设备
/------------------------------------can.c-----------------------------------/
初始化
cpp
void can_init(void)
{
can_handle.Instance = CAN1;//外设基地址
//波特率,位时序
can_handle.Init.Mode = CAN_MODE_LOOPBACK;//回环模式自己发自己收用作测试
//波特率
can_handle.Init.Prescaler = 4; //波特率预分频
can_handle.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_9TQ;//tq取8但是这里取9个TQ为什么?
can_handle.Init.TimeSeg2 = CAN_BS1_8TQ;//tq取8但是这里取9个TQ
can_handle.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;//1~4个Tq
can_handle.Init.AutoBusOff = DISABLE; //禁止自动离线管理
can_handle.Init.AutoRetransmission = DISABLE; //禁止自动重发
can_handle.Init.AutoWakeUp = DISABLE; //禁止自动唤醒
can_handle.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE; //禁止接收FIFO锁定
can_handle.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE; //禁止时间触发通信模式
can_handle.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE; //禁止发送FIFO优先级
HAL_CAN_Init(&can_handle);
//过滤器配置
CAN_FilterTypeDef can_filterconfig = {0};//结构体
can_filterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; //工作模式按摩 掩码。和列表模式
can_filterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;//拓展帧32位
can_filterconfig.FilterIdHigh = 0;//不过滤任何东西什么东西来都接收
can_filterconfig.FilterIdLow = 0;
can_filterconfig.FilterMaskIdHigh = 0;
can_filterconfig.FilterMaskIdLow = 0;
can_filterconfig.FilterBank = 0;//使用0号寄存器
can_filterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FilterFIFO0;//进到FIFO 0中
can_filterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;//使能过滤器
can_filterconfig.SlaveStartFilterBank = 14;//---
HAL_CAN_ConfigFilter(&can_handle,&can_filterconfig);
HAL_CAN_Start(&can_handle);
}
底层配置
cpp
void HAL_CAN_MspInit(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
__HAL_RCC_CAN1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_12;
gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;
gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_11;
gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
}
can发送数据
cpp
void can_send_data(uint32_t id,uint8_t *buf,uint8_t len)
{
CAN_TxHeaderTypeDef tx_header = {0};
uint32_t tx_mail = CAN_TX_MAILBOX0;//邮箱0
tx_header.ExtId = id;
tx_header.DLC = len;
tx_header.IDE = CAN_ID_EXT;//标准针还是拓展帧
tx_header.RTR = CAN_RTR_DATA;//数据帧
HAL_CAN_AddTxMessage(&can_handle,&tx_header,buf,&tx_mail);//句柄 结构体 指定邮箱
//等待三个邮箱都空
while(HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&can_handle) != 3);
uint8_t i =0;
printf("发送数据: \r\n");//将buf中的数字打印出来
for(i = 0;i <len;i++)
printf("%X ",buf[i]);
printf("\r\n");
}
接收数据
cpp
uint8_t can_receive_data(uint8_t *buf)
{
CAN_RxHeaderTypeDef rx_header = {0};
if(HAL_CAN_GetRxFifoFillLevel(&can_handle,CAN_RX_FIFO0) == 0)
return 0;//没有接收到数据
//句柄 FIFO0,机构体,缓冲区
HAL_CAN_GetRxMessage(&can_handle,CAN_RX_FIFO0,&rx_header,buf);
uint32_t i = 0;
printf("接收数据: \r\n");
for(i =0;i < rx_header.DLC;i++)
printf("%X ", buf[i]);
printf("\r\n");
return rx_header.DLC;
}
/------------------------------------------main.c---------------------------/
cpp
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "uart1.h"
#include "key.h"
#include "can.h"
#include "stdio.h"
uint8_t data_send[8] = {0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88};
uint8_t data_receive[8];
int main(void)
{
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
led_init(); /* LED初始化 */
uart1_init(115200);
can_init();
key_init();
// led1_on();
// led1_off();
printf("hello world!\r\n");
uint8_t i = 0;
while(1)
{
//按下KEY1发送数据
if(key_scan() == 1)
{
for(i=0;i<8;i++)
data_send[i]++;
can_send_data(0x12345678,data_send,8);
}
can_receive_data(data_receive);
}
}
实验现象