2019年08月28日 | STM32F429 >> 20. CAN 通讯（二）

STM32 的 CAN 外设简介

STM32 的芯片中具有 bxCAN 控制器 (Basic Extended CAN)，它支持 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；外设中具有 3 个发送邮箱，发送报文的优先级可以使用软件控制，还可以记录发送的时间；具有 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。

STM32 的 CAN 架构剖析

STM32 的有两组 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。

1. CAN 控制内核

框图中标号① 处的 CAN 控制内核包含了各种控制寄存器及状态寄存器，主要讲解其中的主控制寄存器 CAN_MCR 及位时序寄存器 CAN_BTR。

①. 主控制寄存器 CAN_MCR

主控制寄存器 CAN_MCR 负责管理 CAN 的工作模式，它使用以下寄存器位实现控制。

a. DBF 调试冻结功能

DBF(Debug freeze)调试冻结，使用它可设置 CAN 处于工作状态或禁止收发的状态，禁止收发时仍可访问接收 FIFO 中的数据。这两种状态是当 STM32 芯片处于程序调试模式时才使用的，平时使用并不影响。

b. TTCM 时间触发模式

TTCM(Time triggered communication mode)时间触发模式，它用于配置 CAN 的时间触发通信模式，在此模式下，CAN 使用它内部定时器产生时间戳，并把它保存在CAN_RDTxR、CAN_TDTxR 寄存器中。内部定时器在每个 CAN 位时间累加，在接收和发送的帧起始位被采样，并生成时间戳。利用它可以实现 ISO 11898-4 CAN 标准的分时同步通信功能。

c. ABOM 自动离线管理

ABOM(Automatic bus-off management) 自动离线管理，它用于设置是否使用自动离线管理功能。当节点检测到它发送错误或接收错误超过一定值时，会自动进入离线状态，在离线状态中，CAN 不能接收或发送报文。处于离线状态的时候，可以软件控制恢复或者直接使用这个自动离线管理功能，它会在适当的时候自动恢复。

d. AWUM 自动唤醒

AWUM(Automatic bus-off management)，自动唤醒功能，CAN 外设可以使用软件进入低功耗的睡眠模式，如果使能了这个自动唤醒功能，当 CAN 检测到总线活动的时候，会自动唤醒。

e. NART 自动重传

NART(No automatic retransmission)报文自动重传功能，设置这个功能后，当报文发送失败时会自动重传至成功为止。若不使用这个功能，无论发送结果如何，消息只发送一次。

f. RFLM 锁定模式

RFLM(Receive FIFO locked mode)FIFO 锁定模式，该功能用于锁定接收 FIFO。锁定后，当接收 FIFO 溢出时，会丢弃下一个接收的报文。若不锁定，则下一个接收到的报文会覆盖原报文。

g. TXFP 报文发送优先级的判定方法

TXFP(Transmit FIFO priority)报文发送优先级的判定方法，当 CAN 外设的发送邮箱中有多个待发送报文时，本功能可以控制它是根据报文的 ID 优先级还是报文存进邮箱的顺序来发送。

②. 位时序寄存器(CAN_BTR)及波特率

CAN 外设中的位时序寄存器 CAN_BTR 用于配置测试模式、波特率以及各种位内的段参数。

a. 测试模式

为方便调试，STM32 的 CAN 提供了测试模式，配置位时序寄存器 CAN_BTR 的 SILM及 LBKM 寄存器位可以控制使用正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式。

正常模式

正常模式下就是一个正常的 CAN 节点，可以向总线发送数据和接收数据。

静默模式

静默模式下，它自己的输出端的逻辑 0 数据会直接传输到它自己的输入端，逻辑1 可以被发送到总线，所以它不能向总线发送显性位(逻辑 0)，只能发送隐性位(逻辑 1)。输入端可以从总线接收内容。

由于它只可发送的隐性位不会强制影响总线的状态，所以把它称为静默模式。这种模式一般用于监测，它可以用于分析总线上的流量，但又不会因为发送显性位而影响总线。

回环模式

回环模式下，它自己的输出端的所有内容都直接传输到自己的输入端，输出端的内容同时也会被传输到总线上，即也可使用总线监测它的发送内容。输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容。使用回环模式可以进行自检。

回环静默模式

回环静默模式是以上两种模式的结合，自己的输出端的所有内容都直接传输到自己的输入端，并且不会向总线发送显性位影响总线，不能通过总线监测它的发送内容。输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容。这种方式可以在“热自检”时使用，即自我检查的时候，不会干扰总线。

以上说的各个模式，是不需要修改硬件接线的，如当输出直连输入时，它是在 STM32芯片内部连接的，传输路径不经过 STM32 的 CAN_Tx/Rx 引脚，更不经过外部连接的 CAN收发器，只有输出数据到总线或从总线接收的情况下才会经过 CAN_Tx/Rx 引脚和收发器。

b. 位时序及波特率

STM32 外设定义的位时序与我们前面解释的 CAN 标准时序有一点区别：

STM32 的 CAN 外设位时序中只包含 3 段，分别是同步段 SYNC_SEG、位段 BS1 及位段 BS2，采样点位于 BS1 及 BS2 段的交界处。

其中 SYNC_SEG 段固定长度为 1Tq，而BS1 及 BS2 段可以在位时序寄存器 CAN_BTR 设置它们的时间长度，它们可以在重新同步期间增长或缩短，该长度 SJW 也可在位时序寄存器中配置。

理解 STM32 的 CAN 外设的位时序时，可以把它的 BS1 段理解为是由前面介绍的CAN 标准协议中 PTS 段与 PBS1 段合在一起的，而 BS2 段就相当于 PBS2 段。

了解位时序后，我们就可以配置波特率了。通过配置位时序寄存器 CAN_BTR 的TS1[3:0]及 TS2[2:0]寄存器位设定 BS1 及 BS2 段的长度后，我们就可以确定每个 CAN 数据位的时间：

BS1 段时间：

TS1=Tq x (TS1[3:0] + 1)

BS2 段时间：

TS2= Tq x (TS2[2:0] + 1)

一个数据位的时间：

T1bit =1Tq+TS1+TS2 =1+ (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)= N Tq

其中单个时间片的长度 Tq 与 CAN 外设的所挂载的时钟总线及分频器配置有关，CAN1 和 CAN2 外设都是挂载在 APB1 总线上的，而位时序寄存器 CAN_BTR 中的 BRP[9:0]寄存器位可以设置 CAN 外设时钟的分频值 ，所以：

Tq = (BRP[9:0]+1) x TPCLK

其中的 PCLK 指 APB1 时钟，默认值为 45MHz。

最终可以计算出 CAN 通讯的波特率：

BaudRate = 1/N Tq

例如将波特率配置为1Mbps 的方式：

2. CAN 发送邮箱

外设框图中标号② 处的是 CAN 外设的发送邮箱，它一共有 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：

当我们要使用 CAN 外设发送报文时，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。

3. CAN 接收FIFO

外设框图中在标号③ 处的是 CAN 外设的接收 FIFO，它一共有 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，我们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：

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。

4. 验收筛选器

外设框图中在标号④ 处的是 CAN 外设的验收筛选器，一共有 28 个筛选器组，每个筛选器组有 2 个寄存器，CAN1 和 CAN2 共用的筛选器的。

在 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：

检查 STDID[10:0]、 EXTID[17:0]、 IDE 和 RTR 位，一共 31 位；

检查 STDID[10:0]、 RTR、 IDE 和 EXTID[17:15]，一共 16 位。

通过配置筛选尺度寄存器 CAN_FS1R 的 FSCx 位可以设置筛选器工作在哪个尺度。而根据过滤的方法分为以下两种模式：

标识符列表模式。它把要接收报文的 ID 列成一个表，要求报文 ID 与列表中的某一个标识符完全相同才可以接收，可以理解为白名单管理；

掩码模式。它把可接收报文 ID 的某几位作为列表，这几位被称为掩码，可以把它理解成关键字搜索，只要掩码(关键字)相同，就符合要求，报文就会被保存到接收 FIFO。

通过配置筛选模式寄存器 CAN_FM1R 的 FBMx 位可以设置筛选器工作在哪个模式。

不同的尺度和不同的过滤方法可使筛选器工作在图中的 4 种状态：

每组筛选器包含 2 个 32 位的寄存器，分别为 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2，它们用来存储要筛选的 ID 或掩码，各个寄存器位代表的意义与图中两个寄存器下面“映射”的一栏一致，各个模式的说明见表：

例如下面的表格所示，在掩码模式时，第一个寄存器存储要筛选的 ID，第二个寄存器存储掩码，掩码为 1 的部分表示该位必须与 ID 中的内容一致，筛选的结果为表中第三行的ID 值，它是一组包含多个的 ID 值，其中 x 表示该位可以为 1 可以为 0。

而工作在标识符模式时，2 个寄存器存储的都是要筛选的 ID，它只包含 2 个要筛选的ID 值(32 位模式时)。

如果使能了筛选器，且报文的 ID 与所有筛选器的配置都不匹配，CAN 外设会丢弃该报文，不存入接收 FIFO。

5. 整体控制逻辑

结构框图中的标号⑤处表示的是 CAN2 外设的结构，它与 CAN1 外设是一样的，他们共用筛选器且由于存储访问控制器由 CAN1 控制，所以要使用 CAN2 的时候必须要使能 CAN1 的时钟。

CAN 初始化结构体

1. CAN_Prescaler

本成员设置 CAN 外设的时钟分频，它可控制时间片 Tq 的时间长度，这里设置的值最终会减 1 后再写入 BRP 寄存器位，即前面介绍的 Tq 计算公式：

Tq = (BRP[9:0]+1) x TPCLK

等效于：

Tq = CAN_Prescaler x TPCLK

2. CAN_Mode

本成员设置 CAN 的工作模式，可设置为正常模式(CAN_Mode_Normal)、回环模式(CAN_Mode_LoopBack)、静默模式(CAN_Mode_Silent)以及回环静默模式(CAN_Mode_Silent_LoopBack)

3. CAN_SJW

本成员可以配置 SJW 的极限长度，即 CAN 重新同步时单次可增加或缩短的最大长度，

它可以被配置为 1-4Tq(CAN_SJW_1/2/3/4tq)

4. CAN_BS1

本成员用于设置 CAN 位时序中的 BS1 段的长度，它可以被配置为 1-16 个 Tq 长度(CAN_BS1_1/2/3…16tq)

5. CAN_BS2

本成员用于设置 CAN 位时序中的 BS2 段的长度，它可以被配置为 1-8 个 Tq 长度(CAN_BS2_1/2/3…8tq)

SYNC_SEG、BS1 段及 BS2 段的长度加起来即一个数据位的长度，即前面介绍的原来计算公式：

T1bit =1Tq+TS1+TS2 =1+ (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)

等效于：

T1bit = 1Tq+CAN_BS1+CAN_BS2

6. CAN_TTCM

本成员用于设置是否使用时间触发功能(ENABLE/DISABLE)，时间触发功能在某些CAN 标准中会使用到。

7. CAN_ABOM

本成员用于设置是否使用自动离线管理(ENABLE/DISABLE)，使用自动离线管理可以在节点出错离线后适时自动恢复，不需要软件干预。

8. CAN_ AWUM

本成员用于设置是否使用自动唤醒功能(ENABLE/DISABLE)，使能自动唤醒功能后它会在监测到总线活动后自动唤醒。

9. CAN_NART

本成员用于设置是否使用自动重传功能(ENABLE/DISABLE)，使用自动重传功能时，会一直发送报文直到成功为止。

10. CAN_RFLM

本成员用于设置是否使用锁定接收 FIFO(ENABLE/DISABLE)，锁定接收 FIFO 后，若FIFO 溢出时会丢弃新数据，否则在 FIFO 溢出时以新数据覆盖旧数据。

11. CAN_TXFP

本成员用于设置发送报文的优先级判定方法(ENABLE/DISABLE)。

使能时，以报文存入发送邮箱的先后顺序来发送。

否则按照报文 ID 的优先级来发送。

CAN 发送及接收结构体

1. StdId

本成员存储的是报文的 11 位标准标识符，范围是 0-0x7FF。

2. ExtId

本成员存储的是报文的 29 位扩展标识符，范围是 0-0x1FFFFFFF。

ExtId 与 StdId 这两个成员根据下面的 IDE 位配置，只有一个是有效的

3. IDE

本成员存储的是扩展标志 IDE 位。

当它的值为宏 CAN_ID_STD 时表示本报文是标准帧，使用 StdId 成员存储报文 ID；

当它的值为宏 CAN_ID_EXT 时表示本报文是扩展帧，使用 ExtId 成员存储报文 ID。

4. RTR

本成员存储的是报文类型标志 RTR 位。

当它的值为宏 CAN_RTR_Data 时表示本报文是数据帧；

当它的值为宏 CAN_RTR_Remote 时表示本报文是遥控帧。

由于遥控帧没有数据段，所以当报文是遥控帧时，下面的 Data[8]成员的内容是无效的

5. DLC

本成员存储的是数据帧数据段的长度，它的值的范围是 0-8，当报文是遥控帧时 DLC值为 0。

6. Data[8]

本成员存储的就是数据帧中数据段的数据。

7. FMI

本成员只存在于接收结构体，它存储了筛选器的编号，表示本报文是经过哪个筛选器存储进接收 FIFO 的，可以用它简化软件处理。

当需要使用 CAN 发送报文时，先定义一个上面发送类型的结构体，然后把报文的内容按成员赋值到该结构体中，最后调用库函数 CAN_Transmit 把这些内容写入到发送邮箱即可把报文发送出去。

接收报文时，通过检测标志位获知接收 FIFO 的状态，若收到报文，可调用库函数CAN_Receive 把接收 FIFO 中的内容读取到预先定义的接收类型结构体中，然后再访问该结构体即可利用报文了。

CAN 筛选器结构体

1. CAN_FilterIdHigh

CAN_FilterIdHigh 成员用于存储要筛选的 ID。

若筛选器工作在 32 位模式，它存储的是所筛选 ID 的高 16 位；

若筛选器工作在 16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的 ID。

2. CAN_FilterIdLow

类似地，CAN_FilterIdLow 成员也是用于存储要筛选的 ID。

若筛选器工作在 32 位模式，它存储的是所筛选 ID 的低 16 位；

若筛选器工作在 16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的 ID。

3. CAN_FilterMaskIdHigh

CAN_FilterMaskIdHigh 存储的内容分两种情况。

当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与 CAN_FilterIdHigh 相同，都是存储要筛选的 ID；

而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是 CAN_FilterIdHigh 成员对应的掩码，与 CAN_FilterIdLow 组成一组筛选器。

4. CAN_FilterMaskIdLow

类似地，CAN_FilterMaskIdLow 存储的内容也分两种情况。

当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与 CAN_FilterIdLow 相同，都是存储要筛选的 ID；

而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是 CAN_FilterIdLow 成员对应的掩码，与CAN_FilterIdLow 组成一组筛选器。

具体配置可参考：

5. CAN_FilterFIFOAssignment

本成员用于设置当报文通过筛选器的匹配后，该报文会被存储到哪一个接收 FIFO，它的可选值为 FIFO0 或 FIFO1(宏 CAN_Filter_FIFO0/1)

6. CAN_FilterNumber

本成员用于设置筛选器的编号，即本过滤器结构体配置的是哪一组筛选器，CAN 一共有 28 个筛选器，所以它的可输入参数范围为 0-27。

7. CAN_FilterMode

本成员用于设置筛选器的工作模式，可以设置为列表模式(宏 CAN_FilterMode_IdList)及掩码模式(宏 CAN_FilterMode_IdMask)。

8. CAN_FilterScale

本成员用于设置筛选器的尺度，可以设置为 32 位长(宏 CAN_FilterScale_32bit)及 16 位长(宏 CAN_FilterScale_16bit)

9. CAN_FilterActivation

本成员用于设置是否激活这个筛选器(宏 ENABLE/DISABLE)