(轉)stm32的can匯流排理解及應用——程式對應stm32f103系列

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的序列通訊協議。 
它的通訊速度較快，通訊距離遠，最高1Mbps（距離小於40米），最遠可達10千里（速率低於5Kbps）。在匯流排空閒時，所有單元都可以傳送訊息（多主控制），而兩個以上的單元同時開始傳送訊息時，根據識別符號（Identifier 以下稱為 ID）決定優先順序。ID 並不是表示傳送的目的地址，而是表示訪問匯流排的訊息的優先順序。兩個以上的單元同時開始傳送訊息時，對各訊息ID 的每個位進行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優先順序最高）的單元可繼續傳送訊息，仲裁失利的單元則立刻停止傳送而進行接收工作。

CAN協議經過ISO標準化後有兩個標準：ISO11898標準和ISO11519-2標準。其中ISO11898是針對通訊速率為125Kbps~1Mbps的高速通訊標準，而ISO11519-2是針對通訊速率為125Kbps以下的低速通訊標準。 
本章，我們使用的是450Kbps的通訊速率，使用的是ISO11898標準，該標準的物理層特徵如圖1所示：

 
從該特性可以看出，顯性電平對應邏輯0，CAN_H和CAN_L之差為2.5V左右。而隱性電平對應邏輯1，CAN_H和CAN_L之差為0V。在匯流排上顯性電平具有優先權，只要有一個單元輸出顯性電平，匯流排上即為顯性電平。而隱形電平則具有包容的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，匯流排上才為隱性電平（顯性電平比隱性電平更強）。另外，在CAN匯流排的起止端都有一個120Ω的終端電阻，來做阻抗匹配，以減少回波反射。 
CAN協議是通過以下5種型別的幀進行的： 
l 資料幀 
l 搖控幀 
l 錯誤幀 
l 過載幀 
l 幀間隔 
另外，資料幀和遙控幀有標準格式和擴充套件格式兩種格式。標準格式有11 個位的識別符號（ID），擴充套件格式有29 個位的ID。

1.資料幀 
資料幀一般由7個段構成，即： 
（1） 幀起始。表示資料幀開始的段。 
（2） 仲裁段。表示該幀優先順序的段。 
（3） 控制段。表示資料的位元組數及保留位的段。 
（4） 資料段。資料的內容，一幀可傳送0~8個位元組的資料。 
（5） CRC段。檢查幀的傳輸錯誤的段。 
（6） ACK段。表示確認正常接收的段。 
（7） 幀結束。表示資料幀結束的段。 
如圖2為資料幀的構成： 
 
圖中D表示顯性電平，R表示隱形電平（下同）。 
幀起始，標準幀和擴充套件幀都是由1個位的顯性電平表示幀起始。 
仲裁段，表示資料優先順序的段，標準幀和擴充套件幀格式在本段有所區別，標準格式的ID 有11 個位。從ID28 到ID18 被依次傳送。禁止高7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX，原因：can通訊採用的是NZR編碼，而can的仲裁是靠資料幀中的ID部分來實現的，全為隱性狀態，可能導致仲裁失敗！）。擴充套件格式的 ID 有29 個位。基本ID 從ID28 到ID18，擴充套件ID 由ID17 到ID0 表示。基本ID 和標準格式的ID 相同。禁止高7 位都為隱性（禁止設定：基本ID=1111111XXXX）。 
其中RTR位用於標識是否是遠端幀（0，資料幀；1，遠端幀），IDE位為識別符號選擇位（0，使用標準識別符號；1，使用擴充套件識別符號），SRR位為代替遠端請求位，為隱性位，它代替了標準幀中的RTR位。 
控制段，由6個位構成，表示資料段的位元組數。 
資料段，該段可包含0~8個位元組的資料。從最高位（MSB）開始輸出，標準幀和擴充套件幀在這個段的定義都是一樣的。 
CRC段，該段用於檢查幀傳輸錯誤。由15個位的CRC順序和1個位的CRC界定符（用於分隔的位）組成，標準幀和擴充套件幀在這個段的格式也是相同的。 
ACK段，此段用來確認是否正常接收。由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個位組成。標準幀和擴充套件幀在這個段的格式也是相同的。

2.遠端幀（遙控幀） 
遠端幀作用：只傳送ID號，不傳送資料，它將ID發給另一臺裝置，請求另一臺裝置返回資料。

3.CAN匯流排波特率設定 
位速率：由傳送單元在非同步的情況下傳送的每秒鐘的位數稱為位速率。一個位可分為 4 段。 
l 同步段（SS） 
l 傳播時間段（PTS） 
l 相位緩衝段1（PBS1） 
l 相位緩衝段2（PBS2） 
這些段又由可稱為 Time Quantum（以下稱為Tq）的最小時間單位構成。 
1 位分為4 個段，每個段又由若干個Tq 構成，這稱為位時序。 
1 位由多少個Tq 構成、每個段又由多少個Tq 構成等，可以任意設定位時序。通過設定位時序，多個單元可同時取樣，也可任意設定取樣點。STM32把傳播時間段和相位緩衝段1（STM32稱之為時間段1）合併了，所以STM32的CAN一個位只有3段：同步段（SYNC_SEG）、時間段1（BS1）和時間段2（BS2）。STM32的BS1段可以設定為1~16個時間單元，剛好等於我們上面介紹的傳播時間段和相位緩衝段1之和。STM32的CAN位時序如圖3所示： 
 
圖中還給出了CAN波特率的計算公式，我們只需要知道BS1和BS2的設定，以及APB1的時脈頻率（一般為36Mhz），就可以方便的計算出波特率。比如設定TS1=6、TS2=7和BRP=4，在APB1頻率為36Mhz的條件下，即可得到CAN通訊的波特率=36000/[(7+8+1)*5]=450Kbps。圖4是常見CAN匯流排的波特率設定： 
 
 
 

4.CAN匯流排遮蔽濾波 
STM32的識別符號遮蔽濾波目的是減少了CPU處理CAN通訊的開銷。STM32的過濾器組最多有28個（互聯型），但是STM32F103ZET6只有14個（增強型），每個濾波器組x由2個32為暫存器，CAN_FxR1和CAN_FxR2組成。 
STM32每個過濾器組的位寬都可以獨立配置，以滿足應用程式的不同需求。根據位寬的不同，每個過濾器組可提供： 
● 1個32位過濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位 
● 2個16位過濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位 
此外過濾器可配置為，遮蔽位模式和識別符號列表模式。 
在遮蔽位模式下，識別符號暫存器和遮蔽暫存器一起，指定報文識別符號的任何一位，應該按照“必須匹配”或“不用關心”處理。 
而在識別符號列表模式下，遮蔽暫存器也被當作識別符號暫存器用。因此，不是採用一個識別符號加一個遮蔽位的方式，而是使用2個識別符號暫存器。接收報文識別符號的每一位都必須跟過濾器識別符號相同。

濾波過程舉例： 
現有ID號為001,002,003,004的4個CAN，他們都能傳送、接收廣播報文。站在CAN002號角度看，它所能接受到報文的ID是通過濾波器濾波後的ID號，即這裡將過濾方式分兩種，一是002號能接收多個ID報文（遮蔽濾波模式），二是002號只能接收一個ID報文（識別符號列表模式）。

遮蔽濾波模式： 
識別符號暫存器：0 0 1 
遮蔽暫存器： 1 0 1 
報文ID號： 0 0/1 1 
如果設定識別符號暫存器和遮蔽暫存器為001和101；遮蔽濾波模式的作用是如果遮蔽暫存器某位上出現了1，則報文ID號對應的那位要與識別符號暫存器那位一致，即“必須匹配”原則，所以識別符號暫存器第一位0，報文ID號第一位也必須為0，因為遮蔽暫存器第一位為1，類似的第三位也是這樣。如果遮蔽暫存器某位上出現了0，則報文ID號對應的那位可與識別符號暫存器那位不一致也可以一致，即“不用關心”原則，第二位由於遮蔽暫存器上為0，所以報文ID號可以與識別符號暫存器上的0一致也可以不一致，故報文ID號第二位為0/1。所以002號（010）可以接受來自001號（001）和003號（011）的報文。

識別符號列表模式：將設定的遮蔽暫存器改為識別符號暫存器 
識別符號暫存器：0 0 1 
識別符號暫存器： 0 0 1 
報文ID號： 0 0 1 
如果設定2個識別符號暫存器為001和001；報文ID號必須與這兩個識別符號暫存器所對應的位相等。所以002號CAN只能接受001號的報文。

下圖5是CAN_FMR暫存器，可以配置過濾器組的暫存器位數16還是32位，工作模式以及它和標準幀、擴充套件幀位數的對應關係，方便我們在不同的幀模式（標準資料幀、擴充套件資料幀、標準遠端幀、擴充套件遠端幀）下對報文ID進行過濾。 

5.CAN的傳送與接收流程 
5.1CAN 傳送流程 
傳送報文的流程為：應用程式選擇1個空傳送郵箱；設定識別符號、資料長度和待傳送資料；然後CAN_TIxR暫存器的TXRQ位置1，來請求傳送。TXRQ位置1後，郵箱就不再是空郵箱；而一旦郵箱不再為空，軟體對郵箱暫存器就不再有寫的許可權。TXRQ位置1後，郵箱馬上進入掛號狀態，並等待成為最高優先順序的郵箱。一旦郵箱成為最高優先順序的郵箱，其狀態就變為預定傳送狀態。當CAN匯流排進入空閒狀態，預定傳送郵箱中的報文就馬上被髮送（進入傳送狀態）。郵箱中的報文被成功傳送後，它馬上變為空郵箱，硬體相應地對CAN_TSR暫存器的RQCP和TXOK位置1，此時可以設定傳送中斷（入口地址：USB_HP_CAN_TX_IRQChannel()），進入中斷置can_tx_flag_success=1，來表明一次成功傳送。

5.2CAN接收流程 
接收到的報文，被儲存在3級郵箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬體來管理，從而節省了CPU的處理負荷，簡化了軟體並保證了資料的一致性。應用程式只能通過讀取FIFO輸出郵箱，來讀取FIFO中最先收到的報文。根據CAN協議，當報文被正確接收（直到EOF域的最後1位都沒有錯誤），且通過了識別符號過濾，那麼該報文被認為是有效報文。接收相關的中斷條件： 
一旦往FIFO存入1個報文，硬體就會更新FMP[1:0]位，並且如果CAN_IER暫存器的FMPIE位為1，那麼就會產生一箇中斷請求，可以進入接收中斷讀取接收的資料（入口地址：USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel()）。 
當FIFO變滿時（即第3個報文被存入），CAN_RFxR暫存器的FULL位就被置1，並且如果CAN_IER暫存器的FFIE位為1，那麼就會產生一個滿中斷請求。 
在溢位的情況下，FOVR位被置1，並且如果CAN_IER暫存器的FOVIE位為1，那麼就會產生一個溢位中斷請求。

6.CAN匯流排應用——CAN與上位機通訊實驗（基於stm32f103zet6） 
6.1硬體設計 
本文的TX與RX採用PB9和PB8（埠重對映），他們與CAN收發器連線，CAN收發器（晶片有很多，如：TJA1050;SN65VD230）與USB/CAN轉換器連線到PC機上，具體電路如圖6。 
CAN收發器： 

usb/can轉換器：某寶上有賣，100多就行。

6.2程式

#include "pbdata.h"

void RCC_Configuration(void);
void GPIO_Configuration(void);
void NVIC_Configuration(void);
void CAN_Configuration(void);


int main(void)
{
    CanTxMsg TxMessage;

    RCC_Configuration();    //時鐘配置
    GPIO_Configuration();//埠配置
    NVIC_Configuration();
    CAN_Configuration();


    while(1)
    {
        //每隔1s傳送一個報文，一個報文8B
        TxMessage.StdId=0xFF00>>5;//標準幀只有31-21位，對於16位暫存器而言，低五位為擴充套件幀，所以在寫16位資料時，最後5位置0
        TxMessage.ExtId=0;
        TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;//選擇傳送標準幀
        //TxMessage.StdId=0;
        //TxMessage.ExtId=0xFFFFFFFF>>3;//擴充套件幀只有18位，在32位資料時最後三位為（IDE，RTR，TXRQ），所以在寫擴充套件幀時，最後三位要置0


        //TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;
        //傳送擴充套件幀
        TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;//傳送的是資料幀
    //TxMessage.RTR=CAN_RTR_REMOTE;//遠端幀，只傳送ID，不傳送資料，將ID發給另一臺裝置，請求另一臺裝置返回資料
        TxMessage.DLC=8;//資料長度8B

        TxMessage.Data[0]=0x11;
        TxMessage.Data[1]=0x22;
        TxMessage.Data[2]=0x33;
        TxMessage.Data[3]=0x44;
        TxMessage.Data[4]=0x55;
        TxMessage.Data[5]=0x66;
        TxMessage.Data[6]=0x77;
        TxMessage.Data[7]=0x88;
        //資料內容
        can_tx_success_flag = 0;
       CAN_Transmit(CAN1,&tx_message);//can傳送資料
       while(can_tx_success_flag == 0);//是否一次傳送成功
        delay_ms(1000);//1s一次 
    }   
}

void RCC_Configuration(void)
{
    SystemInit();//72m
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);
}

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    

    //埠重對映
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap1_CAN1,ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;//RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;//TX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
}

void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); 

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; 
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

void CAN_Configuration(void)
{
    //硬體上有個can/usb才能與PC通訊
   CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;
   CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;

   CAN_DeInit(CAN1);
   CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);

   //關閉時間觸發模式
   CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;
   //關閉自動離線管理
   CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;
   //關閉自動喚醒模式
   CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;
   //禁止報文自動重傳
   CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;
   //FIFO溢位時報文覆蓋原始檔
   CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;
   //報文傳送優先順序取決於ID號，本次只用了一個傳送郵箱，關閉TXFP
   CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;
   //工作模式（正常）
   CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_Normal;

   //波特率設定125 KBPS

   CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;
   CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_3tq;
   CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_2tq;
   CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;


   //初始化CAN
   CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);

   //遮蔽濾波（can接收才涉及）
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;//0號濾波器
   //遮蔽濾波模式
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;//識別符號遮蔽位模式
   //32位暫存器
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;
   //識別符號暫存器高16位
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x0F00;
   //識別符號暫存器低16位
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0;
   //遮蔽暫存器高16位
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x0F00;
   //遮蔽暫存器低16位
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0;
   //過濾器將ID報文關聯到FIFO0快取區中，資料只能從這裡匯出
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_Filter_FIFO0;
   //過濾器使能
   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;
   //初始化過濾器
   CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

   //接收中斷使能
   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_FMP0,ENABLE);
   //傳送中斷使能
   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_TME,ENABLE);
}

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void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{
    CanRxMsg RxMessage;
    CanTxMsg TxMessage;

    //CAN接收
    CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);//can接收的資料存在FIFO0的RxMessage裡

    TxMessage.StdId=RxMessage.StdId;//標準ID
    TxMessage.ExtId=RxMessage.ExtId;//擴充套件ID
    TxMessage.IDE=RxMessage.IDE;//標準幀還是擴充套件幀
    TxMessage.RTR=RxMessage.RTR;//資料幀還是遠端幀
    TxMessage.DLC=RxMessage.DLC;//待傳輸資料長度

    TxMessage.Data[0]=RxMessage.Data[0];
    TxMessage.Data[1]=RxMessage.Data[1];
    TxMessage.Data[2]=RxMessage.Data[2];
    TxMessage.Data[3]=RxMessage.Data[3];
    TxMessage.Data[4]=RxMessage.Data[4];
    TxMessage.Data[5]=RxMessage.Data[5];
    TxMessage.Data[6]=RxMessage.Data[6];
    TxMessage.Data[7]=RxMessage.Data[7];
    //CAN傳送
    CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);
}

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//進傳送中斷的目的是為了設定can傳送成功標誌位
void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void) //CAN TX
{
    if (CAN_GetITStatus(CAN1,CAN_IT_TME)!= RESET)
    {
       CAN_ClearITPendingBit(CAN1,CAN_IT_TME);
       can_tx_success_flag=1;
    }
}

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