CAN總線（控制器局域網(wǎng)總線）

理論知識

CAN總線是由BOSCH公司開發(fā)的一種簡潔易用、傳輸速度快、易擴展、可靠性高的串行通信總線

CAN總線特征

• 兩根通信線（CAN_H、CAN_L），線路少，無需共地
• 差分信號通信（相對的是單端信號），抗干擾能力強（意思是當有干擾時，兩根線同時產(chǎn)生波動，但兩根線的差值不變）
• 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps，<40m
• 低速CAN（ISO11519）：10k~12kbps，<1km
• 異步，無需時鐘線，通信速率由設(shè)備各自約定
• 半雙工，可掛載多設(shè)備，多設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時通過仲裁判斷先后順序
• 11位/29位報文ID，用于區(qū)分消息功能，同時決定優(yōu)先級
• 可配置1~8字節(jié)的有效載荷
• 可實現(xiàn)廣播式和請求式兩種傳輸方式
• 應(yīng)答、CRC校驗、位填充、位同步、錯誤處理等特性

主流通信協(xié)議對比

名稱	引腳	雙工	時鐘	電平	設(shè)備	應(yīng)用場景
UART	TX、RX	全雙工	異步	單端	點對點	兩個設(shè)備互相通信
I2C	SCL、SDA	半雙工	同步	單端	多設(shè)備	單主控外掛多個模塊
SPI	SCK、MOSI、MISO、SS	全雙	同步	單端	多設(shè)備	單模塊外掛多個模塊（高速，可達幾Mbps）
CAN	CAN_H、CAN_L	半雙工	異步	差分	多設(shè)備	多個主控互相通信

?CAN硬件電路

• 每個設(shè)備通過CAN收發(fā)器掛載在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上
• 高速CAN使用閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，CAN_H和CAN_L兩端添加120歐的終端電阻（第一個作用是防止回波反射，第二個作用是沒有設(shè)備操作時，將兩根差分線的電壓收緊）
• 低速CAN使用開環(huán)網(wǎng)絡(luò)，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2千歐的終端網(wǎng)絡(luò)（有回波反射作用）

CAN電平標準

• CAN總線采用差分信號，即兩線電壓差（Vcan_h-Vcan_l）傳輸數(shù)據(jù)位
• 高速CAN規(guī)定：

電壓差為0V時表示邏輯1（隱性電平）

電壓差為2V時表示邏輯0（顯性電平）

• 低速CAN規(guī)定：

電壓差為-1.5V時表示邏輯1（隱性電平）

電壓差為3V時表示邏輯0（顯性電平）

CAN總線幀格式

幀類型	用途
數(shù)據(jù)幀	發(fā)送設(shè)備主動發(fā)送數(shù)據(jù)（廣播式）
遙控幀	接收設(shè)備主動請求數(shù)據(jù)（請求式）
錯誤幀	某個設(shè)備檢測出錯誤時向其他設(shè)備通知錯誤
過載幀	接收設(shè)備通知其尚未做好接收準備
幀間隔	用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開

數(shù)據(jù)幀

總線空閑狀態(tài)-->幀起始SOF（發(fā)送隱性電平1）-->仲裁段（發(fā)送11位報文ID以及RTR【隱性電平1表示數(shù)據(jù)幀，顯性電平0表示遙控幀】）-->控制段（IDE：ID擴展標志位：用于區(qū)分標準格式還是擴展格式【標準格式發(fā)顯性電平0，擴展格式發(fā)隱性電平1】）、r0（保留位，必須為顯性電平0）、4位DLC（用于指定1~8位有效載荷）-->數(shù)據(jù)段（要發(fā)送的數(shù)據(jù)，大小與前面的DLC對應(yīng)）-->CRC段（校驗算法：CRC及CRC界定符）-->ACK段（收發(fā)應(yīng)答：ACK槽及ACK界定符）-->幀結(jié)束（EOF）

擴展格式：SRR替代RTR，協(xié)議升級時留下的無意義位

應(yīng)答的過程是發(fā)送方與接收方操縱總線的過程，發(fā)送方發(fā)完數(shù)據(jù)后釋放總線，等待讀取總線信息，如果讀到總線被拉緊，就說明有其他設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，并且，CAN設(shè)備是發(fā)送方發(fā)送一位，接收方接收一位的過程，兩個界定符的作用是給發(fā)送方和接收方留出操縱總線的時間。

遙控幀

遙控幀無數(shù)據(jù)段，RTR為隱性電平1，其他部分與數(shù)據(jù)幀相同

CAN的遙控幀（Remote Frame）的主要作用是請求其他節(jié)點發(fā)送具有特定ID的數(shù)據(jù)幀。具體來說，當一個節(jié)點需要從另一個節(jié)點獲取數(shù)據(jù)時，它可以發(fā)送一個遙控幀，而不是直接發(fā)送數(shù)據(jù)。這個遙控幀包含了請求數(shù)據(jù)的ID，但沒有包含數(shù)據(jù)本身。接收到遙控幀的節(jié)點如果擁有與遙控幀ID相匹配的數(shù)據(jù)幀，就會響應(yīng)并發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。這種方式允許節(jié)點僅請求需要的數(shù)據(jù)，而不是不斷發(fā)送可能不需要的數(shù)據(jù)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的效率和減少了不必要的數(shù)據(jù)傳輸。

位填充?

位填充規(guī)則：發(fā)送方每發(fā)送5個相同電平后，自動追加一個相反電平的填充位接收方檢測到填充位時，會自動移除填充位，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

位填充作用：

• 增加波形的定時信息，利于接收方執(zhí)行“再同步”，防止波形長時間無變化，導致接收方不能精確掌握數(shù)據(jù)采樣時機
• 將正常數(shù)據(jù)流與“錯誤幀”和“過載幀”區(qū)分開，標志“錯誤幀”和“過載幀”的特異性（錯誤幀和過載幀回發(fā)送6個相同電平）
• 保持CAN總線早發(fā)送正常數(shù)據(jù)流時的活躍狀態(tài)，防止被誤認為總線空閑

位時序

?為了靈活調(diào)整每個采樣點的位置，使采樣點對齊數(shù)據(jù)中心附近，CAN總線對每一個數(shù)據(jù)位的時長進行了更細的劃分，分為同步段（SS）、傳播時間段（PTS）、相對緩沖段1（PBS1）和相位緩沖段2（PBS2），每個段又由若干個最小時間單位（Tq）構(gòu)成

硬同步

• 每個設(shè)備都有一個位時序計時周期，當每個設(shè)備（發(fā)送方）率先發(fā)送報文，其他所有設(shè)備（接收方）收到SOF的下降沿時，接收方會將自己的位時序計時周期撥到SS段的位置，與發(fā)送方的位時序計時周期保持同步
• 硬同步只在幀的第一個下降沿（SOF下降沿）有效
• 經(jīng)過硬同步后，若發(fā)送方和接收方的時鐘沒有誤差，則后續(xù)所有數(shù)據(jù)位的采樣點必須都會對齊數(shù)據(jù)位中心附近

再同步

• 若發(fā)送方或接收方的時鐘有誤差，隨著誤差積累，數(shù)據(jù)位邊沿逐漸偏離SS段，則此時接收方根據(jù)再同步補償寬度值（SJW）通過加長PBS1段，或縮短PBS2段，以調(diào)整同步
• 再同步可以發(fā)生在第一個下降沿之后的每個數(shù)據(jù)位跳變邊沿

總線仲裁

CAN基本結(jié)構(gòu)

STM32有CAN外設(shè)，微控制器做為CAN控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示，發(fā)送和接收控制器相當于管家，控制CAN的發(fā)送和接收，發(fā)送郵箱是發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送接收控制器可以根據(jù)先來后到或者ID優(yōu)先級兩種方式進行選擇發(fā)送報文，通過CAN_TX發(fā)送到外面的CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器將TTL電平轉(zhuǎn)換為差分電平CAN_H和CAN_L，傳輸?shù)紺AN總線上，發(fā)送接收控制器從CAN_RX引腳接收CAN總線發(fā)來的數(shù)據(jù)電平，先經(jīng)過14個過濾器篩選，通過過濾器的報文再存放到接收FIFO（先入先出寄存器，隊列）中，等待CPU讀取處理。

代碼

標準格式、擴展格式、數(shù)據(jù)幀、遙控幀

MyCAN.h

#ifndef __MYCAN_H
#define __MYCAN_H
#include "stdint.h"void MyCAN_Init(void);
void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage);
uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void);
void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage);#endif

MyCAN.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid MyCAN_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal;//環(huán)回模式CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;     //波特率 = 36M/48/(1+BS1Tq數(shù)+BS2Tq數(shù))=125KCAN_InitStructure.CAN_BS1 = CAN_BS1_2tq;CAN_InitStructure.CAN_BS2 = CAN_BS2_3tq;CAN_InitStructure.CAN_SJW = CAN_SJW_2tq;CAN_InitStructure.CAN_NART = DISABLE;    //自動重傳CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE;    //發(fā)送郵箱優(yōu)先級，ENABLE先請求先發(fā)送，DISABLE，ID號小的先發(fā)送CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE;    //FIFO鎖定，ENABLE,FIFO溢出時，新報文丟棄，DISABLE，最后收到的報文被新報文覆蓋CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE;    //自動喚醒，ENABLE，自動，DISABLE，手動CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE;    //時間觸發(fā)通信模式CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE;	 //離線自動恢復(fù)，ENABLE自動恢復(fù)，DISABLE手動恢復(fù)CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000;    //全通模式CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //過濾器位寬：32位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //過濾器模式：屏蔽模式CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
}void MyCAN_Transmit(CanTxMsg *TxMessage)
{uint8_t TransmitMailbox = CAN_Transmit(CAN1,TxMessage);uint32_t Timeout = 0;while(CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox)!=CAN_TxStatus_Ok) //超時退出{Timeout ++;if(Timeout > 100000)break;}
}uint8_t MyCAN_ReceiveFlag(void)
{if(CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0)>0)  //檢查FIFO里是否有報文{return 1;}return 0;
}void MyCAN_Receive(CanRxMsg *RxMessage)
{CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,RxMessage);
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyCAN.h"
#include "Key.h"CanTxMsg TxMsgArray[] = {
/*	StdId 	  ExtId        IDE			  RTR	  DLC		Data[8]		*/{0x555,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Data,4,{0x11,0x22,0x33,0x44}},{0x000,0x12345678,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Data,4,{0xAA,0xBB,0xCC,0xDD}},{0x666,0x00000000,CAN_Id_Standard,CAN_RTR_Remote,0,{0x00,0x00,0x00,0x00}},{0x000,0x0789ABCD,CAN_Id_Extended,CAN_RTR_Remote,4,{0x00,0x00,0x00,0x00}},	
};CanRxMsg RxMsg;u8 pTMsgArray = 0;int main()
{u8 keyNum = 0;OLED_Init();MyCAN_Init();Key_Init();OLED_ShowString(1,1,"Rx :");OLED_ShowString(2,1,"RxID:");OLED_ShowString(3,1,"Leng:");OLED_ShowString(4,1,"Data:");while(1){keyNum = Key_GetNum();if(keyNum==1){			MyCAN_Transmit(&TxMsgArray[pTMsgArray]);pTMsgArray++;pTMsgArray%=sizeof(TxMsgArray)/sizeof(CanTxMsg);}if(MyCAN_ReceiveFlag()){MyCAN_Receive(&RxMsg);if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Standard){OLED_ShowString(1,6,"Std");OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.StdId,8);}else if(RxMsg.IDE == CAN_Id_Extended){OLED_ShowString(1,6,"Ext");OLED_ShowHexNum(2,6,RxMsg.ExtId,8);}if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Data){OLED_ShowString(1,10,"Data  ");OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);OLED_ShowHexNum(4,6, RxMsg.Data[0],2);OLED_ShowHexNum(4,9, RxMsg.Data[1],2);OLED_ShowHexNum(4,12,RxMsg.Data[2],2);OLED_ShowHexNum(4,15,RxMsg.Data[3],2);				}else if(RxMsg.RTR == CAN_RTR_Remote){OLED_ShowString(1,10,"Remote");OLED_ShowHexNum(3,6,RxMsg.DLC,1);OLED_ShowHexNum(4,6, 0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,9, 0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,12,0x00,2);OLED_ShowHexNum(4,15,0x00,2);					}}}
}

過濾器的使用

（1）16位列表模式

	/*一共有14個過濾器，可配置多個*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;
//	CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = (0x234<<5)|0x10;   //RTR在第五位，|0x10就能接收遙控幀CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x234<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x345<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x567<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //過濾器位寬：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //過濾器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 1;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x123<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x678<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x000<<5;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x000<<5;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

?（2）16屏蔽模式

	CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;/*一共有14個過濾器，可配置多個*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x200<<5;      //第一組IDCAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = (0x700<<5)|0x10|0x8;  //對應(yīng)的屏蔽位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x320<<5;		  //第二組IDCAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = (0x7F0<<5)|0x10|0x8;    //對應(yīng)的屏蔽位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_16bit;  //過濾器位寬：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //過濾器模式：屏蔽CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（3）32位列表模式

	/*一共有14個過濾器，可配置多個*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID1 = 0x123<<21;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID1>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID1;uint32_t ID2 = (0x12345678u<<3)|0x4;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = ID2>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = ID2;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //過濾器位寬：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdList;   //過濾器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（4）32位屏蔽模式

	/*一共有14個過濾器，可配置多個*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID = (0x12345600u<<3)|0x4;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;uint32_t Mask = (0x1FFFFF00u<<3)|0x4|0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //過濾器位寬：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //過濾器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

（5）只接收遙控幀

	/*一共有14個過濾器，可配置多個*/CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0;uint32_t ID = 0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = ID>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow =ID;uint32_t Mask = 0x2;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = Mask>>16;CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = Mask;  CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit;  //過濾器位寬：16位CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask;   //過濾器模式：列表CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0;  //配置過濾器關(guān)聯(lián)，進FIFO0排隊還是進FIFO1排隊CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE;  //激活過濾器開關(guān)CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);