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CAN(Controller Area Network),是IOS国际标准化的串行通信协议 。为了满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需求。
CAN总线的发展史:
CAN总线由两根线( CANL 和 CANH )组成,允许挂载多个设备节点(低速CAN:20 高速CAN:30)。
CAN总线协议已广泛应用在汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
电平 |
高速CAN |
低速CAN |
显性电平(0) |
UCAN_H – UCAN_L= 2V |
UCAN_H – UCAN_L = 3V |
隐性电平(1) |
UCAN_H – UCAN_L = 0V |
UCAN_H – UCAN_L = - 1.5V |
CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧:数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧,其中数据帧最为常用。
帧类型 |
帧作用 |
数据帧(Data Frame) |
用于发送单元向接收单元传输数据的帧 |
遥控帧(Remote Frame) |
用于接收单元向具有相同ID的发送单元 请求数据的帧 |
错误帧(Error Frame) |
用于当检测出错误时向其他单元通知 错误的帧 |
过载帧(Overload Frame) |
用于接收单元通知其尚未做好接收准备 的帧 |
间隔帧(Inter Frame Space) |
用于将数据帧 及遥控帧与前面的帧 分离开来的帧 |
CAN总线以“位同步”机制,实现对电平的正确采样。位数据都由四段组成:同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2),每段又由多个位时序Tq组成。
采样点是指读取总线电平,并将读到的电平作为位值的点。
根据位时序,就可以计算CAN通信的波特率。
注意 : 节点监测到总线上信号的跳变在SS段范围内,表示节点与总线的时序是同步,此时采样点的电平即该位的电平。
CAN为了实现对总线电平信号的正确采样,数据同步分为硬件同步和再同步。
节点通过CAN总线发送数据,一开始发送帧起始信号。总线上其他节点会检测帧起始信号在不在位数据的SS段内,判断内部时序与总线是否同步。如果起始信号不在SS段内,采样点获取的电平是不正确的,节点会采用硬件同步机制进行调整,把自己的SS段平移到检测到边沿的地方,此时采样点获取的电平是正确的。
再同步利用普通数据为的边沿信号进行同步。再同步的情况分为两种,边沿信号相对于SS段的位置即超前和滞后。
再同步时,PSB1和PSB2中增加或减少的时间被称为“再同步步长宽度(SJW)”,其范围时1-4Tq,限定了SJW的值后,再同步时,不能增加限定长度的SJW值,SJW值较大时,吸收误差的能力更强,但是通信速率会下降。
当CAN总线处于空闲时,最先开始发送消息的单元获取发送权,当多个单元同时发送时,从报文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,即首先出现隐形电平的单元失去对总线的控制权,变为接收。竞争失败的单元自动检测总线是否空闲,当总线空闲会第一时间再次检测发送。
STM32 CAN控制器(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且扩展帧的内容会识别错误,而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且扩展帧的内容会忽略。
bxCAN主要特点:
CAN控制器的工作模式有三种:初始化模式、正常模式和睡眠模式。
CAN控制器的测试模式有三种:静默模式、环回模式和环回静默模式,这三种测试模式需要再初始化模式下进行配置。
发送处理
发送优先级由邮箱中报文的标识符决定。标识符数值越低有最高优先级。如果标识符值相同,邮箱小的先被发送。
接收处理
有效报文指的是(数据帧直到EOF段的最后一位都没有错误),且通过过滤器组对标识符过滤。
当总线上报文数据量很大时,总线上的设备会频繁获取报文,占用CPU。过滤器的存在,选择性接收有效报文,减轻系统负担。
每个过滤器组都有两个32位寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2。根据过滤器组的工作模式不同(位宽和选择模式),寄存器的作用不尽相同。
位宽可设置32位或16位,寄存器存储的内容就有所区别。
过滤器组Reg |
32位 |
16位(寄存器由两部分组成) |
CAN_FxR1 |
STDID[10:0]、EXTID[17:0]、 IDE、RTR |
STDID[10:0]、EXTID[17:15]、 IDE、RTR |
CAN_FxR2 |
STDID[10:0]、EXTID[17:0]、 IDE、RTR |
STDID[10:0]、EXTID[17:15]、 IDE、RTR |
选择模式可设置屏蔽位模式或标识符列表模式,寄存器内容的功能就有所区别。
屏蔽位模式,可以选择出一组符合条件的报文。寄存器内容功能相当于是否符合条件。
标识符列表模式,可以选择出几个特定ID的报文。寄存器内容功能就是标识符本身。
STM32的CAN外设位时序分为三段:
波特率=1/(1tq+tq∗(TS1[3:0]+1)+tq∗(TS2[2:0]+1) )
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