CAN基础知识介绍

智能汽车电子与软件 2024-08-24 17:38

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1. CAN协议

1.1 CAN协议简介

CAN是控制器局域网络 (Controller Area Network) 的简称，它是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO11519以及ISO11898), 是国际上应用最广泛的现场总线之一。差异点如下：

1.2 CAN物理层

CAN通讯不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，只具有CAN_High和 CAN_Low两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。CAN 物理层的形式主要有两种：

遵循ISO11898标准的高速、短距离闭环网络，总线最大长度为40m，通信速度最高为 1Mbps，总线的两端各要求有一个120欧的电阻
是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离开环网络，最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个2.2千欧的电阻

以TJA1050芯片作为CAN收发器的电路原理图如下图示

差分信号又称差模信号，差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1，CAN中显性电平（差值为正）对应逻辑0，隐性电平（差值小于或等于0）对应逻辑1，显性电平比隐性电平更强

1.3 CAN协议层

CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，CAN使用位同步的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常

⏩ 位时序分解：为了实现位同步，CAN协议把每一个数据位的时序分解成SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq，一个完整的位由8~25个Tq组成

⏩ 波特率：总线上的各个通讯节点只要约定好1个Tq的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN通讯的波特率

例如，假设上图中的 1Tq=1us，而每个数据位由 19 个 Tq 组成，则传输一位数据需要时间 T1bit=19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)。这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

⏩ 同步过程：波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，此时就要用到数据位内的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。根据对段的应用方式差异， CAN的数据同步分为硬同步和重新同步。其中硬同步只是当存在帧起始信号时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题

硬同步：CAN节点通过总线发送数据时，会发送一个帧起始信号。而挂载到CAN总线上的节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。如下图，当总线出现帧起始信号时，节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的 SS 段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的 SS 段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了

重新同步：前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步。与硬同步方式相似的是它们都使用 SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的 SS 段把跳变沿包含起来。重新同步分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与 SS 段的相对位置进行区分。
-- 相位超前：节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前 2Tq，这时控制器在下一个位时序中的 PBS1 段增加 2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步
-- 相位滞后：节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后 2Tq，这时控制器在前一个位时序中的 PBS2 段减少 2Tq 的时间长度，获得同步

⏩ 报文种类及结构：对数据、操作命令 (如读/写) 以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。CAN一共规定了5种类型的帧

数据帧的结构：数据帧是在CAN通讯中最主要、最复杂的报文，它的结构如下图

其他报文结构

2. CAN控制器

STM32 的芯片中具有bxCAN控制器，支持CAN协议2.0A和2.0B标准。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，还可记录发送的时间；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。框架示意图如下：

STM32有两组CAN控制器，其中CAN1是主设备，框图中的存储访问控制器是由CAN1控制的，CAN2无法直接访问存储区域，所以使用CAN2的时候必须使能CAN1外设的时钟。框图中主要包含CAN控制内核、发送邮箱、接收FIFO以及验收筛选器，下面对框图中的各个部分进行介绍

2.1 CAN控制内核

⏩ 主控寄存器CAN_MCR：负责管理CAN的工作模式

INRQ位：用来控制初始化请求，在CAN初始化时，先设置该位为1，进行初始化，之后再设置该位为0，让CAN进入正常工作模式

⏩ 位时序寄存器CAN_BTR：用于配置测试模式、波特率以及各种位内的段参数

CAN波特率的计算公式：只需要知道BS1和BS2的设置，以及APB1的时钟频率，就可以方便的计算出波特率。比如设置TS1=9、TS2=5和BRP=6，在APB1频率为45Mhz的条件下，即可得到CAN通信的波特率=45000/6/(5+9+1)=500Kbps

2.2 CAN发送邮箱

CAN 共有3个发送邮箱，即最多可以缓存3个待发送的报文。每个发送邮箱中包含有标识符寄存器CAN_TIxR、数据长度控制寄存器CAN_TDTxR及2个数据寄存器CAN_TDLxR、CAN_TDHxR，如下图

当使用CAN外设发送报文时，需要把报文的各个段分解，按位置写入到这些寄存器中，并对标识符寄存器CAN_TIxR中的发送请求寄存器位TMIDxR_TXRQ置1，即可把数据发送出去。其中标识符寄存器CAN_TIxR中的STDID寄存器位比较特别。我们知道CAN的标准标识符的总位数为11位，而扩展标识符的总位数为29位的。当报文使用扩展标识符的时候，标识符寄存器CAN_TIxR中的STDID[10:0]等效于EXTID[18:28]位，它与EXTID[17:0]共同组成完整的29位扩展标识符

⏩ 发送邮箱标识符寄存器CAN_TIxR

⏩ 发送邮箱数据长度和时间戳寄存器CAN_TDTxR

⏩ 发送邮箱低字节数据寄存器CAN_TDLxR

⏩ 发送邮箱高字节数据寄存器CAN_TDHxR

2.3 CAN接收FIFO

CAN 共有2个接收FIFO，每个FIFO中有3个邮箱，即最多可以缓存6个接收到的报文。当接收到报文时，FIFO的报文计数器会自增，而STM32内部读取FIFO数据之后，报文计数器会自减，通过状态寄存器可获知报文计数器的值，而通过前面主控制寄存器的RFLM位，可设置锁定模式，锁定模式下FIFO溢出时会丢弃新报文，非锁定模式下FIFO溢出时新报文会覆盖旧报文。跟发送邮箱类似，每个接收FIFO中包含有标识符寄存器CAN_RIxR、数据长度控制寄存器CAN_RDTxR及2个数据寄存器CAN_RDLxR、CAN_RDHxR，它们的功能见下表

通过中断或状态寄存器知道接收FIFO有数据后，我们再读取这些寄存器的值即可把接收到的报文加载到STM32的内存中

⏩ 接收FIFO邮箱标识符寄存器CAN_RIxR

⏩ 接收FIFO邮箱数据长度和时间戳寄存器CAN_RDTxR

⏩ 接收FIFO邮箱低字节数据寄存器CAN_RDLxR

⏩ 接收FIFO邮箱高字节数据寄存器CAN_RDHxR

2.4 CAN验收筛选器

AN 验收筛选器，共有28个筛选器组，每个筛选器组有2个寄存器，CAN1和CAN2 共用筛选器。CAN协议中，消息的标识符与节点地址无关，但与消息内容有关。因此，发送节点将报文广播给所有接收器时，接收节点会根据报文标识符的值来确定软件是否需要该消息，为了简化软件的工作，STM32的CAN外设接收报文前会先使用验收筛选器检查，只接收需要的报文到FIFO中。筛选器工作的时候，可以调整筛选ID的长度及过滤模式。

根据筛选ID长度来分类有有以下两种：