代码收藏家技术教程 2025-01-18

STM32 高级物联网通信之CAN通讯

CAN通讯介绍

物理层

协议层

CAN的帧（报文）种类

1 数据帧（发送单元->接受单元）

2 远程帧（接受单元->发送单元）

3 错误帧（发送方发送数据错误会发送的状态帧）

4 过载帧（接收方放不下会发送到的状态帧）

5 帧间隔（状态）

数据帧介绍

远程帧介绍

CAN总线仲裁

CAN的位时序

STM32的CAN外设

CAN外设（CAN控制器）介绍

CAN控制器的3种工作模式

CAN控制器的3种测试模式

功能框图

主动内核

发送邮箱

接收FIFO

接收滤波器（过滤器）

STM32中 CAN的位时序

CAN通讯介绍

参考：CAN协议|Kvaser中文官网免费CAN协议教程

CAN（Controller Area Network 控制器局域网，简称CAN或者CAN bus）是一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机（Host）的情况下，允许网络上的单片机和仪器相互通信。

它基于消息传递协议（给消息添加了类型），设计之初在车辆上复用通信线缆，以降低铜线使用量，后来也被其他行业所使用。

CAN拥有了良好的弹性调整能力，可以在现有网络中增加节点而不用在软、硬件上做出调整。除此之外，消息的传递不基于特殊种类的节点，增加了升级网络的便利性。

物理层

CAN网络节点

一个CAN控制器：

一般由MCU提供，STM32内部提供了一个CAN控制器

一个CAN收发器：

收发器一般需要专门芯片提供。这里采用PD1050收发器芯片

控制器和收发器之间通过CAN_Tx及CAN_Rx信号线相连。

收发器与CAN总线之间使用CAN_High及CAN_Low信号线相连。

这两根线做一个差值来表示收发和发

流程：

发数据：。。。

收数据：。。。

CAN总线网络

闭环总线网络：遵循ISO 11898标准的高速短距离，最高传输距离40m，通讯速度最高为1Mbps，总线两端要求有一个120Ω的电阻。

开环总线网络：遵循ISO11519-2标准的低速、远距离。最高传输距离1Km，通讯速度最高为125Kbps，两根总线串联两个2.2KΩ的电阻。

差分信号：

两根信号线：振幅相同，相位相反，然后进行相减，

再电路板要求：差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

优点：抗干扰能力强。能有效抑制电磁干扰（EMI）

缺点：差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。对电路板比较小，走线比较紧张的情况下，给布线带来挑战。差分信号线具有这些优点，在 USB 协议、485 协议、以太网协议及 CAN 协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

举例

逻辑1（隐性电平）

CAN_High =CAN_Low = 2.5V

电压差 VH-VL=0V

逻辑 0 （显性电平）

CAN_High=3.5V，CAN_Low =1.5V

电压差为 VH-VL=2V

协议层

CAN的帧（报文）种类

CAN总线是广播类型的总线。这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文。无法将报文单独发送给指定节点；所有节点都将始终捕获所有报文。但是CAN硬件能够提供本地过滤功能，让每个节点对报文有选择性地做出响应。

CAN使用短报文，最大实用负载是94位。报文中没有任何明确的地址；相反，可以认为报文是通过内容寻址，也就是说，报文的内容隐式地确定其地址。

CAN总线上有5种不同的报文类型（或“帧”）：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

1 数据帧（发送单元->接受单元）

数据帧是最常见的报文类型，用于发送单元向接收单元发送数据。

2 远程帧（接受单元->发送单元）

远程帧用于接收单元向具有相同id的发送单元请求发送数据。

3 错误帧（发送方发送数据错误会发送的状态帧）

错误帧当检测出错误时向其他单元通知错误的帧。

4 过载帧（接收方放不下会发送到的状态帧）

过载帧并不常用，因为当今的CAN控制器会非常智能化地避免使用过载帧。

5 帧间隔（状态）

用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

其中错误帧、过载帧、帧间隔都是由硬件自动完成的，没有办法用软件来控制。对于一般使用者来说，只需要掌握数据帧与遥控帧。数据帧和遥控帧有标准格式与扩展格式。标准格式有11位标识符，扩展格式有29位标识符。

数据帧介绍

标准帧（11位消息准类）

帧起始：Start Of Frame-SOF：

1位，显性信号（逻辑0）。

表示数据帧（或远程帧）的开始。

只能在总线空闲的时候（检测到7位1表示空闲）才可以发送帧起始。

仲裁段（Arbitration Field）包括两部分：

标识符位（Identifier field-ID）：11位

远程发送请求位（Remote Transfer Request-RTR）：1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）：一共6位

IDE位（Identifier Extension）：1位。区分标准格式与扩展格式。显性电平时表示标准格式。隐性电平时表示扩展格式。

DLC段（Data Length Code）：4位。表示本报文中的数据段含有多少个字节。用于DLC段表示的数字为0~8。

R0位：1位。保留位，以后使用。

数据段（DATA Field）：数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息。由 0~8个字节组成。高位先行。

CRC段（CRC Field）：包含2部分

CRC校验码：15 bits，用于校验传输是否正确。

界定符：隐性位，表示校验码的结束。

ACK段（ACK Field）：包含2部分

ACK确认位：发送端的ACK确认位是隐性位，接收端收到正确的CRC校验位后，把这一位置为显性位（相当于一个插槽）

界定符：1位隐性位，用于与后面的帧结束隔开。

EOF段（ End Of Frame ）

帧结束，帧结束段由发送节点发送的 7 个隐性位表示结束

扩展帧（29位2的29次方=512M信息准类）

远程帧介绍

远程帧与数据帧相比没有数据段。

CAN总线仲裁

CAN总线处于空闲状态的时候，最先发送消息的单元获得发送权。

多个单元同时开始发送时，从仲裁段（报文id）的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可以继续发送，即首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权变为接收。（即报文id小的优先级高）。

竞争失败，会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。

CAN的位时序

位同步：CAN中提出了位同步的方式来确保通讯时序。

一帧中包含了很多个位。

CAN把每1位分为4段(从时间角度划分)

同步段（SS：Synchronization Segment）

传播时间段（PTS：Propagation Time Segment）

相位缓冲段 1（PBS1：Phase Buffer Segment 1）

相位缓冲段 2（PBS2：Phase Buffer Segment 2）

4段的总时间段构成了位时间（Bit Time），就是传输一个位所需的总时间。

位时间通常被分为若干等长的时间单元，称为时间量化器（Time Quanta, Tq）。

一个Tq的长度可以根据传输速率的需要设置。

在STM32的CAN外设中，通过设置波特率分频器的值来确定Tq的大小。

同步段（SS：Synchronization Segment）：做同步的，

SS 段的大小固定为 1Tq。

若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在 SS 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的

传播时间段（PTS：Propagation Time Segment）：解决如果没有同步，照样捕捉，会提示后面进行处理。

传播时间段（PTS：Propagation Time Segment）

比如发送单元的发送延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟等。

PTS段就是用来补偿这些因素产生的时间延迟。

PTS段长度至少为1个Tq。一般1-8Tq。

相位缓冲段 1（PBS1：Phase Buffer Segment 1），也就是延长取样。

主要用来补偿边沿阶段的误差。

它的时间长度在重新同步阶段的时候可以被自动加长。

PBS1段的初始大小可以为1~8Tq。

相位缓冲段 2（PBS2：Phase Buffer Segment 2），下一位的同步段会提前。

另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的

它的时间长度在重新同步阶段时可以缩短

PBS2 段的初始大小可以为 2~8Tq。

采样点：采样点位于PBS1和PBS2的交界处。

数据同步：根据同步方式差异，CAN 的数据同步分为硬同步和再同步。

硬同步：当一个节点检测到起始位时，它会执行硬同步，以便将其内部的时间基准与数据帧的时间基准对齐。在硬同步过程中，控制器的时间基准会立即调整为与检测到的边沿对齐。

再同步：在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时(即总线上的跳变沿不在节点时序的 SS 段范围)通过延长 PBS1 段或缩短 PBS2 段，来获得同步。

所有的同步都是由CAN控制器硬件自动完成的。

CAN的波特率：各个通讯节点约定好1个Tq 的时间长度以及每一位占据多少个 Tq，就可以确定CAN通讯的波特率。

位填充：发送方再发送过程时，若持续0或1时，发送方会在固定位填充一个跳变沿。

STM32的CAN外设

CAN外设（CAN控制器）介绍

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 Active标准。（CAN2.0A只能处理标准数据帧且扩展帧的内容会识别错误。而CAN2.0 B Active可以处理标准数据帧和扩展数据帧。CAN2.0 B Passive只能处理标准数据帧而扩展帧的内容会被忽略）。

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（先进先出的队列），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。