(一）CAN协议，STM32F系列 bxCAN控制器，过滤器组作用，工作模式，接收/发送消息
CAN协议
- CAN协议 简介
- CAN协议 特点
- （1）多主控制
- （2）系统的柔软性
- （3）通信速度较快，通信距离远
- （4）具有错误检测、错误通知和错误恢复功能
- （5）故障封闭功能
- （6）连接节点多
- CAN协议 内容
- （1）电平特性
- （2）5种-帧类型
- STM32Fxxx CAN控制器
- （1）STM32F4 bxCAN 的主要特点
- （2）过滤器作用 详细分析
- （3）过滤器组相关寄存器
- （4）四种过滤器工作模式
- bxCAN 工作模式
- bxCAN 发送消息
- bxCAN 接收消息
- 过滤器总结
- （一）列表模式
- （二）掩码模式
CAN协议 简介
CAN (Controller Area Network )是 ISO 国际标准化的串行半双工异步(位时序同步)通信协议。
（1）由于系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要。
1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
其中 ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps 的高速通信标准，而 ISO11519-2是针对通信速率为 125Kbps以下的低速通信标准。
（2）CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
（3）CAN 控制器根据两根线(CAN_H、CAN_L)上的电位差，产生的差分信号来判断总线电平。
CAN协议 特点
（1）多主控制
多主控制：在总线空闲时，所有单元都可以发送消息。
1）两个以上的单元(uint)同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 称为 ID）决定优先级。
注意：ID 并不是表示发送的 目的地址，而是表示访问总线时消息的优先级。
2）两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。
仲裁获胜，即判定比较时优先级最高的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送，立刻转为接收状态。
（2）系统的柔软性
系统的柔软性：表示与总线相连的单元没有类似于“地址”的形式。
因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
（3）通信速度较快，通信距离远
最高 1Mbps：距离小于 40M
最远可达 10KM：速率低于 5Kbps
（4）具有错误检测、错误通知和错误恢复功能
所有单元都可以检测错误（错误检测功能）：
检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。
强制结束发送的单元会 不断反复地 重新发送此消息 直到成功发送为止（错误恢复功能）。
（5）故障封闭功能
故障封闭功能：CAN 可以判别出总线上的错误类型，区分总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。
由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
（6）连接节点多
CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的，但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。
降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。
正是因为 CAN 协议的这些特点，使得 CAN 特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN协议 内容
（1）电平特性
隐性电平(Recessiveness -简称 R)：逻辑值0，CAN_H 和 CAN_L 之差为 2.5V 左右。
显性电平(Dominance -简称 D)：逻辑值1，CAN_H 和 CAN_L 之差为 0V。
在总线上显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。
协议规范，这么设计是有一定的技巧的：
显性或者隐性的优先级可以看成是每个 CAN单元unit 与 CAN总线Bus 通信时，电平逻辑关系 相与&的关系。
（1）显性电平(电平 = 0)优先级高是因为 CAN独立单元 和 CAN总线相与&后，把CAN总线的电平，也同时拉低了。只要有一个 CAN独立单元为显性电平，则整个CAN总线就被拉高。
（2）但是CAN独立单元隐形电平(电平 = 1)和 CAN总线相与&后，CAN总线电平状态保持不变。因此只有所有的CAN独立单元全为隐形电平时，CAN总线电平才为隐性电平。
另外，在 CAN 总线的起止端都有一个 120Ω终端电阻来做阻抗匹配，以减少回波反射。
注意：120Ω的终端电阻，在CAN通信中是必不可少的。因为很多情况下，CAN通信在正常模式调试时，
MCU片上CAN设备接收不到消息，有一种失败原因是CAN分析仪上面的 120Ω终端电阻拨片没有打开ON。
（2）5种-帧类型
- 数据帧：用于发送单元向接收单元传送数据的帧
- 遥控帧：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：用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
- 过载帧：用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
- 间隔帧：用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。
标准格式有 11 个位的标识符ID，扩展格式有 29 个位的标识符ID
帧类型基本上就是消息类型，也就是报文的各种格式规范。
此部分CAN协议详细理论介绍请下载文档：
https://pan.baidu.com/s/1KGlG1u_ew7VFnpJqF3oJeQ
密码：vcfg
如果链接失效，请下载正点原子的参考资料，在 软件资料->CAN学习资料，有CAN理论入门PDF。
STM32Fxxx CAN控制器
STM32F4 自带的是 bxCAN，即基本扩展 CAN。它支持 CAN 协议 2.0A 和 2.0B。
它的设计目标是：以最小的 CPU 负荷来高效处理大量收到的报文。
它也支持报文发送的优先级要求(优先级特性可软件配置)。对于安全紧要的应用，bxCAN 提供所有支持时间触发通信模式所需的硬件功能。
（1）STM32F4 bxCAN 的主要特点
- 支持 CAN 协议 2.0A 和 2.0B 主动模式
各个行业的协议遵循的规范 - 波特率最高达 1Mbps
相对于其它通信协议的通信速度，已经算很高了 - 支持时间触发通信
暂时没用过 - 具有 3 个发送邮箱
主CAN1和从CAN2都各自有自己的3个发送邮箱，发送消息时，哪个邮箱空闲idle，就选择哪个邮箱发送消息。 - 具有 2 个 3 级深度的接收 FIFO
相当于主CAN1和从CAN2各有自己的2个接收邮箱：FIFO0，FIFO1。而每个接收邮箱又都可以细分3块FIFO缓存区，每接收一个消息可以挂载在指定的接收邮箱上，逐次填充3个FIFO缓存区，也就是3级深度的意思。 - 可变的过滤器组（CAN1 和 CAN2 共享 28组过滤器，一组过滤器又分为含有2个32位的寄存器）
过滤器的意思就是MCU的片上外设-CAN设备从CAN_BUS总线接收到消息(也就是报文)，但是我也不能什么消息都接收过来对吧，因此需要一个东西去过滤掉那些对我无用的消息，选择提炼接收那些对我有用的消息，那么这个过滤的东西就是过滤器。但是过滤的过程不仅仅有一个器件就行了，他还需要其他器件的配合，因此一个过滤器组含有2个32位寄存器。那么到底按照什么条件去筛选呢，这里引入标识符ID，也就是消息报文中仲裁段id，通过设置过滤时只允许通过我们指定的id而过滤掉别的id，从而达到过滤消息的作用。过滤器(筛选器)的作用是：减少了 CPU 处理 CAN 通信的开销。
除此之外，还需要配置其他的相关寄存器。
从框图中，总结出CAN通信主要分为三大部分： - CAN 控制和状态：控制CAN通信过程中的发送和接收，中断，其它各种状态以及工作的各种模式。
- CAN 邮箱：发送和接收的用来放消息(报文)的邮箱，其实也就是缓存存储区。
- CAN 过滤器(筛选器)：过滤消息(报文)中仲裁段ID的寄存器组。
（2）过滤器作用 详细分析
此部分内容参考文章： 过滤器.
（1）为什么要使用 过滤器(filter)？
在这里，我们可以将CAN总线看成一个广播消息通道，上面传输着各种类型的消息，好比报纸，有体育新闻，财经新闻，政治新闻，还有军事新闻，每个人都有自己的喜好，不一定对所有新闻都感兴趣，因此，在看报纸的时候，一般人都是只看自己感兴趣的那类新闻，而过滤掉其他不感兴趣的内容。那么我们一般是怎么过滤掉那些不感兴趣的内容的呢？下面有两种方法来实现这个目的：
（1）第一种方法：
- 每次看报纸时，你都看下每篇文章的标题，如果感兴趣则继续看下去，如果不感兴趣，则忽略掉。
（2）第二种方法：
- 你告诉邮递员，你只对财经新闻感兴趣，请只将财经类报纸送过来，其他的就不要送过来了，就这样，你看到的内容必定是你感兴趣的财经类新闻。
那么上面那种方法好呢？很明显，第二种方法是最好的，因为你不用自己每次判断哪些新闻内容是你感兴趣的，可以免受“垃圾”新闻干扰，从而可以节省时间忙其他事。bxCAN的过滤器就是采用上述第二种方法，你只需要设置好你感兴趣的那些CAN报文ID，那么MCU就只能收到这些CAN报文，是从硬件上过滤掉，完全不需要软件参与进来，从而节省了大大节省了MCU的时间，可以更加专注于其他事务，这个就是bxCAN过滤器的意义所在。
（2）假设我们是bxCAN的设计者，现在由我们来设计过滤器，那么我们该如何设计呢？
首先我们是不是很快就会想到只要准备好一张表，把我们需要关注的所有CAN报文ID写上去，开始过滤的时候只要对比这张表，如果接收到的报文ID与表上的相符，则通过，如果表上没有，则不通过，这个就是简单的过滤方案。恭喜你！bxCAN过滤器的列表模式采用的就是这种方案。
但是，这种列表方案有点缺陷，即如果我们只关注一个报文ID，则需要往列表中写入这个ID，如果需要关注两个，则需要写入两个报文ID，如果需要关注100个，则需要写入100个，如果需要1万个，那么需要写入1万个，可问题是，有这个大的列表供我们使用吗？大家都知道，MCU上的资源是有限的，不可能提供1万个或更多，甚至100个都嫌多。非常明显，这种列表的方式受到列表容量大小的限制。
实际上，bxCAN的一个过滤器如果工作在列表模式下，数值范围scale为32时，每个过滤器的列表只能写入两个报文ID；若scale为16时，每个过滤器的列表最多可写入4个CAN ID。由此可见，MCU的资源仍是非常有限的并不能被我们随心所欲的使用。这种指定ID的方式虽然很精确但是效率太低，有些太死板。因此需要考虑另外一种替代方案，即ID不受到数量的限制：掩码模式。
（3）过滤器引入 标识符掩码模式(屏蔽位模式)
下面假设我们是古时候一座城镇的守卫，城主要求只有1156年出生的人才可以进城，我们又该如何执行呢？假设古时候的人也有类似今天的身份证（…->_<-…）,大家都知道，身份份证号码中有4位是表示出生年月，身份证中第7~10这4位数表示的是出生年份，那么，我们可以这么执行：
- 检查想要进城的所有人的身份证号码的第7-10位数字，如果这个数字依次为1156则可以进入，否则则不可以，至于身份证号码的其他位则完全不关心。假如过几天城主放宽进城条件为只要是1150年-1160前的人都可以进城，那么，我们就可以只关注身份证号码的第7~9这3位数是否为115就可以了，对不对？这样一来，我们就可以非常完美地执行城主的要求了。
再变下，假设现在使用机器来当守卫，不再是人来执行这个“筛选”工作。机器是死的，没有人那么灵活，那么机器又该如何执行呢？
对于机器来说，每一步都得细化到机器可以理解的程度，于是我们可以作如下细化：
第一步：获取想进城的人的身份证号码
第二步：只看获取到身份证的第7~9位，其他位忽略
第三步：将忽略后的结果与1156进行比较
第四步：比较结果相同则通过，不同则不能通过
这种方式，我们称之为掩码模式，即屏蔽位模式
（4）标识符掩码模式(屏蔽位模式)的过程
对于机器来说，我们要为它准备好两张纸片，一片写上屏蔽码，另一片纸片写上验证码，屏蔽码上相应位为1时，表示此位需要与验证码对应位进行比较，反之，则表示不需要。机器在执行任务的时候先将获取的身份证号码与屏蔽码进行 “&” 与操作，再将结果与验证码的进行比较，根据判断是否相同来决定是否通过。整个判别流程如下所示：
从上图可以很容易地理解屏蔽码与验证码的含义，这样一来，能通过的结果数量就完全取决于屏蔽码，屏蔽码设置地得宽，则可以通过的多(所有位为0，则不过任何过滤操作，则谁都可以通过)，设得窄，则通过的少(所有位设为1，则只有一个能通过)。
那么知道这个有什么用呢？因为bxCAN 过滤器的掩码模式就是采用这种方式。因为在bxCAN中，分别采用了两个寄存器(CAN_FxR1，CAN_FxR2)来存储屏蔽位码与验证位码，从而实现掩码模式的工作流程的。因此这样，我们就可以知道bxCAN过滤器掩码模式的大概工作原理。
但是，我们得注意到，掩码模式的缺点：采用掩码模式的方式并不能精确的对每一个ID进行过滤。打个比方，还是采用之前的守卫的例子，假如城主要求只有1150-1158年出生的人能通过，那么，若我们还是才用掩码模式，那么掩码就设为第7-9位为”1”，对应验证码的7~9位分别为”115”，这样就可以了。
但是，仔细一想，出生于1159的人还是可以通过，是不是？但总体来说，虽然没有做到精确过滤，但我们还是能做到大体过滤的，而这个就是掩码模式的缺点了。在实际应用时，取决于需求，有时我们会同时使用到列表模式和掩码模式。
（3）过滤器组相关寄存器
先简单介绍一下配置过滤器时，需要用到的寄存器：
(1）CAN_FMR 筛选器主寄存器
主CAN1、从CAN2 都分别拥有自己的发送邮箱 mailbox和接收 FIFO，它们一起共用 28 个滤波器组。这28 个滤波器组是通过 CAN_FMR 寄存器的配置可以设置滤波器的分配方式。也就是主CAN1、从CAN2谁都可以用到哪些寄存器组。
（2）CAN_FiRx 筛选组寄存器
STM32F4 的过滤器组（即筛选器 filter）最多有 28 个，每个滤波器组 x 由 2 个 32 位的寄存器：
CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 组成：
(3）CAN_FS1R 筛选器尺度寄存器
STM32F4中，每个过滤器组的位宽都可以独立配置，以满足应用程序的不同需求。
根据位宽的不同，每个过滤器组可提供：
● 1 个 32 位过滤器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE 和 RTR 位
● 2 个 16 位过滤器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR 和 EXTID[17:15] 位
(4）CAN_FM1R 筛选器模式寄存器
此外，过滤器还可配置模式为：标识符屏蔽位模式 或 标识符列表模式
-
在屏蔽位模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。
-
而在标识符列表模式下，屏蔽寄存器也被当作标识符寄存器用。因此不是采用一个标识符加一个屏蔽位的方式，而是使用 2 个标识符寄存器。接收报文标识符的每一位都必须跟过滤器标识符相同。
（4）四种过滤器工作模式
根据模式与位宽的设置，我们共可以得出4中不同的组合：
32位宽的列表模式，16位宽的列表模式；
32位宽掩码模式，16位宽的掩码模式；
如下图所示：
为了过滤出一组标识符，应该设置过滤器组工作在屏蔽位模式。
为了过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。
应用程序不用的过滤器组，应该保持在禁用状态。
在bxCAN中，每组过滤器都存在这么两个寄存器CAN_FxR1和CAN_FxR2，这两个寄存器都是32位的，他的定义并不是固定的，针对不同的工作模式组合他的定义是不一样的：
（1）32位宽模式下
如列表模式-32位宽模式下，这两个过滤器寄存器的各位定义都是一样的，都用来存储某个具体期望通过的CAN ID，这样就可以存入2个期望通过的CAN ID(标准CAN ID和扩展CAN ID均可)；
若在掩码模式-32位宽模式下时，则CAN_FxR1用做32位宽的验证码(比较码)，而CAN_FxR2则用作32位宽的屏蔽码。
（2）在16位宽模式下
CAN_FxR1和CAN_FxR2都要各自拆分成两个16位宽的寄存器来使用。
在列表模式-16位宽模式下，CAN_FxR1和CAN_FxR2定义一样，且各自拆成两个，则总共可以写入4个标准CAN ID，
若在16位宽的掩码模式下，则当做 2对验证码 + 屏蔽码组合来用，但它只能对标准CAN ID进行过滤。
bxCAN 工作模式
bxCAN 主要有三种工作模式： 初始化(Initialize)、 正常(Normal)和睡眠(Sleeping，低功耗)
这三种模式相关的寄存器是：CAN_MSR主状态寄存器 和 CAN_MCR主控制寄存器
设置CAN_MCR主控制寄存器相应位：
SLEEP / INRQ 请求进入初始化，正常，睡眠模式
设置CAN_MSR寄存器相应的位：
- SLAK(位 1) ： 睡眠确认 (Sleep acknowledge)，此位由硬件置 1，用于向软件指示 CAN 硬件此时处于睡眠模式；
- INAK(位 0 ) ： 初始化确认 (Initialization acknowledge)，此位由硬件置 1，用于向软件指示 CAN 硬件此时处于初始化模式；
bxCAN启动过程：
在硬件复位Reset或者上电重启时，bxCAN 首先进入睡眠模式以降低功耗，此时SLAK = 1，INAK = 0。
可以通过软件设置CAN_MCR主控制寄存器，SLEEP(睡眠模式请求 :Sleep mode request)或者INRQ(初始化请求:Initialization request)，将相应位置1即可使bxCAN 进入初始化模式或者睡眠模式。
正常流程是先进入初始化模式，一旦进入初始化模式，硬件自动将bxCAN的主状态寄存器CAN_MSR设置为SLAK = 0，INAK =1，以确认初始化模式。随后在此模式下，可以进行相关寄存器的初始化配置。
配置完成之后，一方面可以设置CAN_MCR主控制寄存器的SLEEP / INRQ进入正常模式，或者继续返回到低功耗睡眠模式。
在进入到正常模式下，硬件自动将bxCAN的主状态寄存器CAN_MSR设置为SLAK = 0，INAK = 0，以确认初始化模式。CAN进行正常工作状态，发送或者接收报文。
测试模式：环回模式，静默模式，环回与静默组合模式
(1)环回模式
(2)静默模式
(3)环回与静默组合模式
- 调试模式
详细请参考，STM32参考手册
bxCAN 发送消息
CAN邮箱发送时需设置的寄存器
（1）CAN 发送状态寄存器 (CAN_TSR)
-
RQCPx ： 邮箱 x 请求完成 (Request completed mailbox x)
最后一个请求（发送或中止）执行完毕时，由硬件置 1。由软件通过写入“1”清零，或是在发生发送请求（CAN_TI1R 寄存器中的 TXRQx位）时由硬件清零。
如果将此位清零，邮箱 x 的所有状态位（TXOK1、ALST1 和 TERR1）都将清零。 -
TXOKx ：邮箱 x 发送成功 (Transmission OK of mailbox x)
每次发送成功后，硬件都将更新此位。
0：上一次发送失败
1：上一次发送成功
当邮箱 x 的发送请求成功完成时，此位由硬件置 1。 -
TMEx ： 发送邮箱 x 为空状态 (Transmit mailbox x empty)
当 x 邮箱为空，即邮箱没有挂起发送请求时，硬件自动置1。 -
ABRQx ：邮箱 x 中止请求 (Abort request for mailbox x)
由软件置 1，用于中止相应邮箱的发送请求。
邮箱变为空后，此位由硬件清零。邮箱未挂起等待发送时，将此位置 1 没有任何作用。
（2）CAN 发送邮箱标识符寄存器(CAN_TIxR)
- TXRQ ： 发送邮箱请求 (Transmit mailbox request)
由软件置 1，用于请求发送相应邮箱的内容。
邮箱变为空后，此位由硬件清零。
最开始发送报文时，x邮箱TMPx = 1 表示邮箱内容为空，此时需要把报文(数据帧等)填充 x发送邮箱，紧接着将 TXRQ = 1，请求发送x邮箱中的内容，此时 x邮箱 进入挂号(挂起 pending)状态，等待成为优先级最高的邮箱，相应的状态寄存器的TMPx位清零，表明x邮箱有数据不为空。
此过程可以被中止ABRQx = 1，中止相应邮箱的发送请求，进入发送失败状态，邮箱置空 TMPx = 1；RQCPx = 1；TXOKx = 0.
此后由调度器统一调度选择具有最高优先级的邮箱，安排发送。当x邮箱成为优先级最高的邮箱时，会将邮箱内的数据进行打包(报文)，待CAN 总线变为空闲后，被安排好的邮箱将开始发送报文（进入发送态）。邮箱一旦发送成功，则邮箱立即恢复 空状态TMPx = 1；RQCPx = 1；TXOKx = 1.
如果发送失败，失败原因将由 CAN_TSR 寄存器的 ALST位( 邮箱 x 仲裁丢失)和 TERR位 (邮箱x 发送错误)提示，进入发送失败状态，邮箱置空 TMPx = 1；RQCPx = 1；TXOKx = 0.
如果设置了自动重发送模式，则会重新回到等待调度器再次调度重发。
bxCAN 接收消息
过滤器总结
通过CAN_TOOL和CAN分析仪测试发现：
（一）列表模式
0、0x7FF / 0x1FFF FFFF 为独立单一的can_id
（二）掩码模式
（1）配置情形1
配置一 配置二 配置三
filter_id 0 0 0x7FF / 0x1FFFFFFF
mask_id 0 0x7FF / 0x1FFFFFFF 0
只要 filter_id / mask_id 有一个配置为0，则过滤器组将会使所有id都可以通过过滤，不屏蔽任何id，任何id都可以通过筛选。
（2）配置情形2
配置
filter_id 0x7FF / 0x1FFFFFFF
mask_id 0x7FF / 0x1FFFFFFF
此时过滤器可以屏蔽所有id，不让任何id通过筛选(包括 0 和 0x7FF / 0x1FFFFFFF）。这种模式可以用于过滤器不想使用(即关闭过滤器)时，全部以 0x7FF / 0x1FFFFFFF 填充 filter_id 和 mask_id 对应的2组寄存器。