浅析STM32F103系列CAN控制器

　　23.1关于 CAN
　　23.1.1 CAN 电气特性与协议
　　控制器局域网（Controller Area Network，CAN），是由德国BOSCH（博世）公司开发，是目前国际上应用最为广泛的现场总线之一。其特点是可拓展性好，可承受大量数据的高速通信，高度稳定可靠，因此常应用于汽车电子领域、工业自动化、医疗设备等高要求环境。
　　CAN总线有两个ISO国际标准：ISO11519 和ISO11898。
　　ISO11519定义了通信速率为10～125Kbps的低速CAN通信标准，属于开环总线，传输速率为40Kbps时，总线长度可达1000米；
　　ISO11898定义了通信速率为125Kbps～1 Mbps的高速CAN通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度≤40米；
　　高速CAN主要应用在发动机、变速箱等对实时性、传输速度要求高的场景。低速CAN主要应用在车身控制系统等可靠性要求高的场景，低速CAN在断掉其任一导线后，仍可以继续接收数据，因此在汽车发生交通事故时，使用低速CAN能更大提高设备正常接收数据工作的可能性，提高安全性。
　　如图 23.1.1 所示，是低速CAN的拓扑结构图，如图 23.1.2 是高速CAN的拓扑结构图。低速CAN总线为开环，高速CAN总线为闭环，总线由CAN_H和CAN_L两根线组成，总线上可以挂多个节点设备。每个节点设备由CAN控制器和CAN收发器组成，CAN控制器通常作为外设集成在MPU/MCU上，而CAN收发器则需要外围添加芯片电路。
　　从两个网络拓扑结构可以看出，基于ISO11519标准的低速CAN，是一个“开环网络”，每根总线上个串联一个2.2KΩ的电阻；基于ISO11898标准的高速CAN，是一个“闭环网络”，总线的两端各需串联一个120Ω的电阻用于阻抗匹配，以减少回波反射。
　　
　　
　　类似RS485，CAN也使用差分信号传输数据。CAN总线使用CAN_H和CAN_L的电位差来表示数据电平。电位差分为显性电平和隐性电平，分别表示逻辑0和1。如图 23.1.3 所示，是低速CAN（ISO11519标准）的电平定义，如图 23.1.4 是高速CAN（ISO11898标准）的电平定义，两者物理层电气特性不一样，因此不能将它们连接在一起。可以看到当CAN_H和CAN_L电压相近，则表示隐性电平，对应逻辑1，当两个电压相差较大，表示显性电平，对应逻辑0。
　　
　　
　　
　　CAN是一种基于消息广播模式的串行通信总线，即在同一时刻网络上所有节点监测到的数据是一致的，各节点根据报文ID来甄别是否是发给自己的报文。
　　CAN总线以“帧”（Frame）的形式进行通信。CAN 总线协议规定了5种帧，分别是数据帧、远程帧、错误帧、超载帧以及帧间隔，其中数据帧最常用，表 23.1.2 是各个帧的用途。
　　
　　数据帧由七段组成，如图 23.1.5 所示。数据帧又分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B），主要体现在在仲裁段和控制段上。
　　
　　帧起始（Start Of Frame-SOF）：1bit，显性信号，表示数据帧（或远程帧）的开始；
　　仲裁段（Arbitration Field）：包括标识符位（Identifier field-ID）和远程发送请求位（Remote Transfer Request，RTR）；
　　标准帧的ID位是11位，即范围是0x000~0x7FF，而扩展帧的ID是11+18=29位；在CAN协议中，ID决定报文的优先级高低，也决定这拓扑结构的节点是否接收此ID的帧数据；
　　远程发送请求位，用于区分该帧是数据帧还是远程帧，显性信号（0）代表数据帧（Data Frame），隐性信号（1）代表远程帧（Remote Frame）；
　　控制段（Control Field）：标准帧中由扩展标识符位（Identifier Extension bit-IDE，1 bit）、保留位0（Reseved bit0-r0，1 bit）、数据长度编码位（Data Length Code-DLC，4 bits）组成；扩展帧用由两个保留位（Reseved bit，2 bit）、数据长度编码位（Data Length Code-DLC，4 bits）组成;
　　数据段（Data Field）：发送数据的内容，最多8个字节（64bit），它的实际长度会写到前面的数据长度编码位DLC里。
　　循环校验段（CRC Field）：包括循环校验序列（CRC Sequence）和界定符（Delimiter，DEL）；循环校验序列用于校验传输是否正确；界定符用于表示循环校验序列是否结束；
　　确认段（ACK Field）：包括确认位（ACK SLOT）和界定符（Delimiter，DEL）；确认位在节点收到正确的CRC序列时，发送端的ACK位被置位；界定符表示确认是否正常接收；
　　帧结束（End of Frame-EOF）：7位长度，隐性信号，表示帧的结束；
　　当CAN总线网络中有多个CAN节点设备时，某一CAN设备发出数据帧，总线上所有设备（无过滤时）都获取该数据帧中仲裁段中的ID，如果是自己关注ID的数据，则获取数据段的内容，完成数据的传输。
　　23.1.2 CAN 控制器
　　STM32F103系列的CAN控制器（Basic Extended CAN，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，扩展帧的内容会识别为错误；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，扩展帧的内容会忽略。
　　STM32F103系列只有一个CAN控制器，STM32F105/STM32F107互联型有两个CAN控制器，互联型内部CAN控制器结构如图 23.1.6 所示，⑤是CAN2，STM32F103系列没有，先忽略。
　　
　　①CAN1内核：包含各种控制、状态、配置寄存器。其中比较重要的是主控制寄存器（CAN_MCR）和位时序寄存器（CAN_BTR）。主控制寄存器主要控制CAN的工作模式，在后面设置CAN协议初始化时，实现对该寄存器的修改。位时序寄存器主要涉及CAN的工作速率，由于CAN是异步信号，同串口类似，需要收发双方提前统一通信速率。除此之外，为保证通信稳定，CAN采用“位同步”机制，实现对电平的正确采样。传输中的每位数据由四段组成：同步段（Synchronization Segment，SS）、传播时间段（Propagation TimeSegment，PTS）、相位缓冲段1（Phase Buffer Segment 1，PBS1）和相位缓冲段2（Phase Buffer Segment 2， PBS2）。每段又由多个位时序（Time Quantum，Tq）组成，如图 23.1.6 所示，为各段组成示意图。
　　
　　假设CAN对应逻辑电平持续的时间为9Tq，即一位数据持续的时间为9Tq。其中SS段长度为1Tq（只能为1Tq），PTS段长度为2Tq（范围为18Tq），PSB1段长度为3Tq（范围为18Tq），PSB2段长度为3Tq（范围为2~8Tq）。采样点在PSB1和PSB2之间，调整各段的长度，即可对采样点位置进行调整，实现补偿准确采样。
　　如图 23.1.8 所示，为STM32F103系列的CAN控制器位时序，和标准CAN协议的位时序略有不同。STM32只有三段，同步段长度为1Tq（只能为1Tq），标准CAN协议中的PTS段和PSB1合并为位段1（范围为1-16Tq），标准CAN协议中的PSB2段对应位段2（范围为1-8Tq）。
　　
　　当知道CAN控制器的工作时钟频率、tBS1和tBS2的长度时，即可计算出CAN传输的波特率，关系如下：
　　
　　Tq=（BRP［9:0］+1） x tPCLK，BRP［9:0］为Tq长度，tPCLK为APB时钟周期；
　　tBS1=Tq x （TS1［3:0］ + 1），TS1［3:0］位于CAN_BTR寄存器中；
　　tBS2=Tq x （TS2［2:0］ + 1），TS2［2:0］位于CAN_BTR寄存器中；由图 6.1.2 可知，bxCAN挂在APB1总线上，当系统时钟为最高72MHz时，APB1时钟最高为36MHz。此时若BRP［9:0］+1为8，TS1［3:0］ + 1为6，TS2［2:0］ + 1为2，则波特率为：
　　
　　② 发送邮箱：STM32F103的CAN控制器有三个发送邮箱，可最多缓存三个待发送的报文。由传输调度负责决定邮箱报文的发送顺序。
　　③接收FIFO：STM32F103的CAN控制器有两个个接收FIFO来存储传入的数据，每个FIFO由三个邮箱存储三个接收到报文。
　　④：验收筛选器：STM32F105/STM32F107互联型有28个筛选器，STM32F103系列只有14个筛选器（编号0~13）。前面介绍CAN协议介绍到，在CAN总线网络中，总线上的所有设备都获取总线数据帧中ID，如果是自己关注的ID，则继续获取数据段的内容。当总线上报文过多时，每个CAN设备将频繁获取报文，消耗比较大。因此，提供筛选器实现选择性的获取报文，降低系统负担。
　　每个筛选器组由两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2组成。根据不同的实际需求，筛选器支持设置筛选范围和筛选模式。
　　筛选范围可设置为32位和16位，两种方式筛选的范围有所差异：
　　32位方式：筛选报文的STDID［10:0］、EXTID［17:0］、IDE、RTR；
　　16位方式：筛选报文的STDID［10:0］、EXTID［17:15］、IDE、RTR；筛选模式可设置为列表模式和掩码模式，前者常用于筛选单个标识符，后者常用于筛选单组标识符：
　　列表模式：此时两个寄存器都作为标识符寄存器，这两个标识符寄存器组成一个表，只有在此列表中的ID，才能通过筛选器，存入FIFO；
　　掩码模式：此时两个寄存器作为标识符寄存器和掩码寄存器，根据掩码寄存器指定的哪些位与标识符寄存器匹配的ID，才能通过筛选器，存入FIFO；
　　举个例子，如表 23.1.3 所示，ID为0xF，掩码为0x7FC。掩码位为1表示必须与ID一致，掩码位为0表示可不与ID一致，因此结果bit［1:0］为任意值，其它都需要与ID一致，则最后结果为11XX，即0xC~0xF之间的ID都可经过筛选器存入FIFO，其它则无法通过；
　　
　　如图 23.1.9 所示，通过设置筛选范围和筛选模式进行组合，每个筛选器有四种情况。
　　①FSCx=1，FBMx=0：处于32位掩码模式，此时两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，一个存放ID，一个存放掩码；
　　②FSCx=1，FBMx=1：处于32位列表模式，此时两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，两个都存放ID，组成列表；
　　③FSCx=0，FBMx=0：处于16位掩码模式，此时两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，它们各自低16位存放ID，高16位存放掩码；
　　②FSCx=0，FBMx=1：处于16位列表模式，此时两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，它们各自低16位和高16位都存放ID，组成列表；
　　举个例子，假设CAN总线上有ID为0至99的100个报文，现在只需要ID为0-5的报文，筛选器该如何设置？首先设置筛选器组0处于32位掩码模式，ID为0x0，掩码为0x7FC，结果将筛选出0x0-0x3。接着设置筛选器组1处于32位列表模式，列表两个ID分别设为0x04和0x05。最后ID为0x0~0x05的报文将通过筛
　　
　　关于CAN的基础介绍就到这里，读者重点理解CAN电气特性、数据帧结构、STM32的CAN控制器波特率和筛选器。
　　23.2 硬件设计
　　如图 23.2.1 为开发板CAN部分的原理图。U17为CAN收发器TJA1042芯片，该芯片将MCU的CAN控制器的逻辑电平转换成差分信号，发送到CAN总线中。
　　U17的1脚接MCU的CAN发送引脚（PB9），2脚接MCU的CAN接收引脚（PB8）， 7脚、8脚为CAN输出引脚，上面挂了一个120欧的终端电阻，工作在高速CAN模式。
　　
　　另外，CAN和RS485都是半双工的差分信号，需要两个设备连接测试。百问网制作了一个CAN/RS485互转模块，可以直接连接到100ASK系列开发板上，实现RS485的CAN的透传，同时验证、学习两个接口，该模块外形如图 23.2.2 所示。
　　该模块左边是RS485接口（波特率9600bps，无校验，8位数据位，1位停止位），右边是CAN接口（波特率500Kbps，屏蔽位模式，允许所有帧接收），中间是转换芯片，实现协议转换。由于CAN协议中包含有ID， 而RS485不存在ID。因此，当RS485转CAN时，模块会自动加上0x00的ID，当CAN转RS485时，RS485只会收到数据部分，扔掉ID部分。
　　23.3 软件设计
　　23.3.1 软件设计思路
　　实验目的：本实验通过RS485_CAN互转模块，实现RS485和CAN互传数据，让读者熟悉如何使用CAN。开发板的RS485首先发送数据，经过RS485_CAN互转模块变为CAN信号，传入开发板CAN接口；开发板CAN接口接到数据后，CAN再发送数据，经过RS485_CAN互转模块变为RS485信号，传入开发板R485接口。
　　初始化CAN协议相关参数和筛选器：设置预分频、位段长度等实现需要的500Kbps波特率；
　　初始化CAN硬件相关参数：CAN时钟使能、GPIO端口时钟使能、引脚重映射、中断优先级等；
　　使用HAL提供的CAN收发函数，收发数据；
　　主函数编写控制逻辑：按下按键KEY1（KEY_U），RS485发送数据，经过RS485_CAN互转模块传入CAN接口并打印，随后CAN接口发送数据，经过RS485_CAN互转模块传入RS485接口并打印；本实验配套代码位于“5_程序源码15_通信—CAN”。
　　23.3.2 软件设计讲解
　　初始化CAN
　　CAN的初始化，包含两部分：协议部分和硬件部分。
　　协议部分初始化如代码段 23.3.1 所示。
　　代码段 23.3.1 CAN 协议初始化（driver_can.c）
　　12~25行：设置CAN协议参数；
　　12行：设置哪一个CAN控制器，STM32F103ZET6只有一个CAN控制器；
　　15行：设置时钟的预分频，与后面的位段时间长度组合，实现需要的500Kbps，这里先设置为8分频；
　　16行：设置CAN工作模式，CAN控制有四种模式：正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式，通常设置为正常模式即可；
　　17行：设置再次同步补偿宽度，因时钟频率偏差、传送延迟等，各单元有同步误差，这里设置补偿此误差的最大值，范围为1~4Tq；
　　18行：设置位段1（BS1）的长度为6Tq；
　　19行：设置位段2（BS2）的长度为2Tq，由前面的波特率计算公式可得：36M/（1+6+2）/8 = 500Kbps；
　　20行：设置间触发通信模式，禁止时间触发通信模式；
　　21行：禁止总线自动关闭，控制CAN在退出总线关闭状态时的行为；
　　22行：禁止自动唤醒，控制CAN在眠模式下接收到消息时的行为；
　　23行：开启自动重传，CAN将自动重发消息，直到CAN消息发送成功；关闭后，无论成功、错误或仲裁丢失，都只发送一次；
　　24行：禁止接收FIFO锁定，当接收FIFO装满后，下一条传入消息将覆盖前一条消息；使能后，接收FIFO装满后，下一条传入消息将被丢弃；
　　25行：禁止传输FIFO优先级，则优先级由消息标识符决定；使能后，由请求顺序（时间顺序）决定；
　　27~30行：初始化前面设置的CAN参数，同时会调用CAN硬件相关初始化函数“HAL_CAN_MspInit（）”;
　　32~41行：设置CAN筛选器；
　　33行：设置哪一个CAN筛选器组，设置设置筛选器组0，STM32F103ZET6共有14个筛选器组；
　　34行：“CAN_FILTERMODE_IDMASK”设置为掩码模式，“CAN_FILTERMODE_IDLIST”设置为列表模式；
　　35行：设置筛选范围可设置为32位；
　　36~37行：设置ID的高低字节，这里设置ID为0；
　　38~39行：设置掩码的高低字节，这里设置掩码为0，则没有做任何过滤；
　　40行：设置本筛选器的消息存储在哪个FIFO（接收FIFO共有两个）；
　　41行：使能本筛选器；
　　43~46行：配置前面设置的筛选器；
　　48~52行：启动CAN；
　　54~58行：使能CAN接收FIFO0的中断；注意这里使能的是FIFO0，需要和前面设置筛选器的FIFO保持一致；这里可以设置三种类型FIFO中断，分别为“CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING”FIFO接收到数据就
　　产生中断、“CAN_IT_RX_FIFO0_FULL”FIFO接收满后产生中断“CAN_IT_RX_FIFO0_OVERRUN”FIFO溢出产生中断；
　　前面“HAL_CAN_Init（）”会调用CAN硬件相关初始化函数“HAL_CAN_MspInit（）”，该函数需要我们自己完善，如代码段 23.3.2 所示。
　　代码段 23.3.2 CAN 硬件初始化（driver_can.c）
　　需要注意，PB8、PB9如果用于CAN引脚，不是引脚典型复用，而是需要引脚复用重映射，如图 23.3.1所示为《数据手册》部分引脚描述截图。因此代码段 23.3.2 中14~15行需要先使能重映射时钟，再重映射CAN功能。
　　
　　封装CAN发送函数和接收回调函数
　　初始化完CAN后，便可以调用HAL库提供的“HAL_CAN_AddTxMessage（）”将报文放入发送信箱，供CAN控制器发送。在这之前，需要准备好报文，如代码段 23.3.3 所示。
　　代码段 23.3.3 CAN 发送函数（driver_can.c）
　　12~23行：准备发送报文；
　　初始化CAN
　　CAN的初始化，包含两部分：协议部分和硬件部分。
　　协议部分初始化如代码段 23.3.1 所示。
　　代码段 23.3.1 CAN 协议初始化（driver_can.c）
　　12~25行：设置CAN协议参数；
　　12行：设置哪一个CAN控制器，STM32F103ZET6只有一个CAN控制器；
　　15行：设置时钟的预分频，与后面的位段时间长度组合，实现需要的500Kbps，这里先设置为8分频；
　　16行：设置CAN工作模式，CAN控制有四种模式：正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式，通常设置为正常模式即可；
　　17行：设置再次同步补偿宽度，因时钟频率偏差、传送延迟等，各单元有同步误差，这里设置补偿此误差的最大值，范围为1~4Tq；
　　18行：设置位段1（BS1）的长度为6Tq；
　　19行：设置位段2（BS2）的长度为2Tq，由前面的波特率计算公式可得：36M/（1+6+2）/8 = 500Kbps；
　　20行：设置间触发通信模式，禁止时间触发通信模式；
　　21行：禁止总线自动关闭，控制CAN在退出总线关闭状态时的行为；
　　22行：禁止自动唤醒，控制CAN在眠模式下接收到消息时的行为；
　　23行：开启自动重传，CAN将自动重发消息，直到CAN消息发送成功；关闭后，无论成功、错误或仲裁丢失，都只发送一次；
　　24行：禁止接收FIFO锁定，当接收FIFO装满后，下一条传入消息将覆盖前一条消息；使能后，接收FIFO装满后，下一条传入消息将被丢弃；
　　25行：禁止传输FIFO优先级，则优先级由消息标识符决定；使能后，由请求顺序（时间顺序）决定；
　　27~30行：初始化前面设置的CAN参数，同时会调用CAN硬件相关初始化函数“HAL_CAN_MspInit（）”;
　　32~41行：设置CAN筛选器；
　　33行：设置哪一个CAN筛选器组，设置设置筛选器组0，STM32F103ZET6共有14个筛选器组；
　　34行：“CAN_FILTERMODE_IDMASK”设置为掩码模式，“CAN_FILTERMODE_IDLIST”设置为列表模式；
　　35行：设置筛选范围可设置为32位；
　　36~37行：设置ID的高低字节，这里设置ID为0；
　　38~39行：设置掩码的高低字节，这里设置掩码为0，则没有做任何过滤；
　　40行：设置本筛选器的消息存储在哪个FIFO（接收FIFO共有两个）；
　　41行：使能本筛选器；
　　43~46行：配置前面设置的筛选器；
　　48~52行：启动CAN；
　　54~58行：使能CAN接收FIFO0的中断；注意这里使能的是FIFO0，需要和前面设置筛选器的FIFO保持一致；这里可以设置三种类型FIFO中断，分别为：“CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING”FIFO接收到数据就产生中断、“CAN_IT_RX_FIFO0_FULL”FIFO接收满后产生中断、“CAN_IT_RX_FIFO0_OVERRUN”FIFO溢出产生中断；
　　前面“HAL_CAN_Init（）”会调用CAN硬件相关初始化函数“HAL_CAN_MspInit（）”，该函数需要我们自己完善，如代码段 23.3.2 所示。
　　代码段 23.3.2 CAN 硬件初始化（driver_can.c）
　　需要注意，PB8、PB9如果用于CAN引脚，不是引脚典型复用，而是需要引脚复用重映射，如图 23.3.1所示为《数据手册》部分引脚描述截图。因此代码段 23.3.2 中14~15行需要先使能重映射时钟，再重映射CAN功能。
　　
　　封装CAN发送函数和接收回调函数
　　初始化完CAN后，便可以调用HAL库提供的“HAL_CAN_AddTxMessage（）”将报文放入发送信箱，供CAN控制器发送。在这之前，需要准备好报文，如代码段 23.3.3 所示。
　　代码段 23.3.3 CAN 发送函数（driver_can.c）
　　12~23行：准备发送报文；
　　12行：定义变量“tx_mailbox”，保存返回的邮箱编号；
　　13~16行：限制每次报文，数据最多8字节；
　　18行：设置报文的标准标识符；
　　19行：设置报文的扩展标识符；
　　20行：设置帧模式，这里设置为标准帧；
　　21行：设置帧类型，这里设置为数据帧；
　　22行：设置数据长度；
　　23行：设置帧传输时是否获取时间标记，通常关闭；
　　25~28行：调用“HAL_CAN_AddTxMessage（）”发送报文；
　　前面设置了CAN中断和中断优先级，当CAN控制器，发送完成或接收完成时，都将跳转到中断向量表的对应位置，执行中断处理函数，如代码段 23.3.4 所示。
　　代码段 23.3.4 CAN 中断处理函数（driver_can.c）
　　1~5行：CAN1发送完成时，将进入中断向量“CAN1_TX0_IRQHandler”。这里发送完成后，不需要任何操作，因此没有编写发送完成的中断函数；
　　7~11行：CAN1接收完成时，将进入中断向量“CAN1_RX0_IRQHandler”。这里接收完成后，会调用一系列中断函数，其中“HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback（）”为接收FIFO0消息等待回调函数；
　　13~30行：编写接收FIFO0消息等待回调函数，使用“HAL_CAN_GetRxMessage（）”获取报文，随后修改接收标志位，以便其它函数查询是否接收到数据；
　　本实验中涉及的RS485、串口打印、按键等实现，参考之前相关章节的讲解。
　　主函数控制逻辑
　　在主函数里，每按一下按键，先构造RS485要发送的数据，然后调用“RS485_Tx（）”发送数据。随后查询CAN是否收到数据，如果收到数据，打印CAN收到的数据。接着，构造CAN要发送的ID和数据，调用“CAN_Transmit（）”发送报文，然后使用“RS485_Rx（）”接收数据，并打印，如代码段 23.3.5 所示。
　　代码段 23.3.5 主函数控制逻辑（main.c）
　　23.4 实验效果
　　本实验对应配套资料的“5_程序源码15_通信—CAN”。打开工程后，编译，下载。按图 23.4.1 所示，将开发板、RS485_CAN互转模块连接，开发板的CAN接模块的CAN，开发板的RS485接模块的RS485，且线都不交叉，注意此时的J11（蓝色拨码开关）的1脚拨为ON。
　　按下按键KEY1（KEY_U），即可看到串口如图 23.4.2 所示。首先RS485发送数据，CAN接收到相同的数据，RS485_CAN互换模块为CAN添加了0x0的ID。随便CAN发送数据，RS485接收到相同的数据，CAN报文的ID被RS485_CAN互换模块省略。