《STM32从零开始学习历程》——CAN外设-模式及波特率

《STM32从零开始学习历程》@EnzoReventon

CAN外设-模式及波特率

相关链接：

《STM32从零开始学习历程》——CAN通讯协议物理层
CAN－bus规范 V2.0版本
CAN总线入门
周立功-CAN协议中文版

参考资料：
[野火EmbedFire]《STM32库开发实战指南——基于野火霸天虎开发板》
[正点原子]STM32F4开发指南-库函数版本_V1.2
[ST]《STM32F4xx中文参考手册》
CAN－bus规范 V2.0版本
CAN总线入门
周立功-CAN协议中文版

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。

CAN框图剖析

① CAN控制内核：继承了许多收发相关的寄存器。
② CAN发送邮箱：有三个发送邮箱，可以将报文存储于邮箱之中，根据需要或者总线空闲时将报文发送出去。
③ CAN接收FIFO：2个深度为3级的FIFO。
④ 验收筛选器：根据ID号对报文进行筛选，将筛选出来的报文存储到FIFO中。
⑤ CAN2整体控制逻辑：从设备，STM32中有两组CAN控制器，CAN2无法直接使用，如果要时钟需要闲时能CAN1的时钟

• CAN控制内核
  

===========位 31:17 保留，必须保持复位值。
============位 16 DBF：调试冻结 (Debug freeze)
0：调试期间 CAN 处于工作状态。
1：调试期间 CAN 处于接收/发送冻结状态。接收 FIFO 仍可正常访问/控制。
============位 15 RESET：bxCAN 软件主复位 (bxCAN software master reset)
0：正常工作。
1：强制 bxCAN 进行主复位 -> 复位后激活睡眠模式（FMP 位和 CAN_MCR 寄存器初始化
为复位值）。此位自动复位为 0。
============位 14:8 保留，必须保持复位值。
============位 7 TTCM：时间触发通信模式 (Time triggered communication mode)
0：禁止时间触发通信模式。
1：使能时间触发通信模式。
注意： 有关时间触发通信模式的更多信息，请参见第 24.7.2 节：时间触发通信模式。
============位 6 ABOM：自动的总线关闭管理 (Automatic bus-off management)
此位控制 CAN 硬件在退出总线关闭状态时的行为。
0：在软件发出请求后，一旦监测到 128 次连续 11 个隐性位，并且软件将 CAN_MCR 寄存
器的 INRQ 位先置 1 再清零，即退出总线关闭状态。
1：一旦监测到 128 次连续 11 个隐性位，即通过硬件自动退出总线关闭状态。
有关总线关闭状态的详细信息，请参见第 24.7.6 节：错误管理。
============位 5 AWUM：自动唤醒模式 (Automatic wakeup mode)
此位控制 CAN 硬件在睡眠模式下接收到消息时的行为。
0：在软件通过将 CAN_MCR 寄存器的 SLEEP 位清零发出请求后，退出睡眠模式。
1：一旦监测到 CAN 消息，即通过硬件自动退出睡眠模式。
CAN_MCR 寄存器的 SLEEP 位和 CAN_MCR 寄存器的 SLAK 位由硬件清零。
============位 4 NART：禁止自动重发送 (No automatic retransmission)
0：CAN 硬件将自动重发送消息，直到根据 CAN 标准消息发送成功。
1：无论发送结果如何（成功、错误或仲裁丢失），消息均只发送一次。
============位 3 RFLM：接收 FIFO 锁定模式 (Receive FIFO locked mode)
0：接收 FIFO 上溢后不锁定。接收 FIFO 装满后，下一条传入消息将覆盖前一条消息。
1：接收 FIFO 上溢后锁定。接收 FIFO 装满后，下一条传入消息将被丢弃。
============位 2 TXFP：发送 FIFO 优先级 (Transmit FIFO priority)
此位用于控制在几个邮箱同时挂起时的发送顺序。
0：优先级由消息标识符确定
1：优先级由请求顺序（时间顺序）确定
============位 1 SLEEP：睡眠模式请求 (Sleep mode request)
此位由软件置 1，用于请求 CAN 硬件进入睡眠模式。一旦当前 CAN 活动（发送或接收 CAN帧）结束，即进入睡眠模式。
此位由软件清零时，将退出睡眠模式。
当 AWUM 位置 1 以及在 CAN RX 信号上检测到 SOF 位时，硬件即将此位清零。
复位后，此位将置 1 - CAN 启动睡眠模式。
============位 0 INRQ：初始化请求 (Initialization request)
软件通过将此位清零，来将硬件切换到正常模式。一旦在 Rx 信号上监测到连续 11 个隐性位，CAN 硬件即完成同步并准备进行发送和接收。硬件通过将 CAN_MSR 寄存器的 INAK位清零来指示此事件。
软件通过将此位置 1 来请求 CAN 硬件进入初始化模式。一旦软件将 INRQ 位置 1，CAN 硬件将等待当前 CAN 活动（发送或接收）结束，然后进入初始化模式。硬件通过将 CAN_MSR寄存器的 INAK 位置 1 来指示此事件。
《STM32中文参考手册》

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，我们主要讲解其中的主控制寄存器CAN_MCR及位时序寄存器CAN_BTR。
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。
– 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。

– 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。在本文及本实验中不使用。

• 主控制寄存器CAN_MCR
  – ABOM 自动离线管理（1启用）
  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。

– 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。

– 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。

– 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。

– 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。

工作模式

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。

位时序及波特率

STM32外设定义的位时序与前面解释的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，当CAN控制器发现采样点位置不对的时候，可以通过SJW的值来增长或缩短。决定了再同步的时间，我们一般设置的比较小。
• 理解STM32的CAN外设的位时序时，可以把它的BS1段理解为是由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。
• 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，就可以确定每个CAN数据位的时间：
• BS1段时间：
• $$T_{S}1=T_q\ast (TS1[3:0]+1)$$
• BS2段时间：
• $$T_{S}2=Tq\ast (TS2[2:0]+1)$$
• 一个数据位的时间：
• $$T_{1}bit=1T_q+T_{S}1+T_{S}2=1+(TS1[3:0]+1)+(TS2[2:0]+1)=N{T}_q$$
• 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：
• $$T_q=(BRP[9:0]+1)\ast TPCLK$$
• 其中的PCLK指APB1时钟，默认值为42MHz。
• 最终可以计算出CAN通讯的波特率：
• $$BaudRate=1/N{T}_q$$

举个例子：
我们要把波特率配置成1Mbps：

参数	说明
SYNC_SE段	固定为1Tq
BS1段	设置为4Tq (实际写入TS1[3:0]的值为3)
BS2段	设置为2Tq (实际写入TS2[2:0]的值为1)
T_PCLK	APB1按默认配置为F=42MHz，TPCLK=1/42M
CAN外设时钟分频	设置为6分频(实际写入BRP[9:0]的值为5)
1Tq时间长度	Tq = (BRP[9:0]+1) x TPCLK = 6 x 1/42M=1/7M
1位的时间长度	T1bit =1Tq+T_S1+T_S2 = 1+4+2 = 7Tq
波特率	BaudRate = 1/N Tq = 1/(1/7M x 7)=1Mbps

CAN发送邮箱

CAN外设一共有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，它们的功能如下：

寄存器名	功能
标识符寄存器CAN_TIxR	存储待发送报文的ID、扩展ID、IDE位及RTR位
数据长度控制寄存器CAN_TDTxR	存储待发送报文的DLC段
低位数据寄存器CAN_TDLxR	存储待发送报文数据段的Data0-Data3这四个字节的内容
高位数据寄存器CAN_TDHxR	存储待发送报文数据段的Data4-Data7这四个字节的内容

当要使用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。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。

CAN接收FIFO

CAN外设一共有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，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，其功能如下：

寄存器名	功能
标识符寄存器CAN_RIxR	存储收到报文的ID、扩展ID、IDE位及RTR位
数据长度控制寄存器CAN_RDTxR	存储收到报文的DLC段
低位数据寄存器CAN_RDLxR	存储收到报文数据段的Data0-Data3这四个字节的内容高
高位数据寄存器CAN_RDHxR	存储收到报文数据段的Data4-Data7这四个字节的内容

验收筛选器

• 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。
• 而根据过滤的方法分为以下两种模式：
  – 标识符列表模式（白名单过滤），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（关键字搜索），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。
  
• 通过配置筛选尺度寄存器CAN_FS1R的FSCx位可以设置筛选器工作在哪个尺度。
• 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。

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，各个模式的说明如下：

模式	说明
32位掩码模式	CAN_FxR1存储ID，CAN_FxR2存储哪个位必须要与CAN_FxR1中的ID一致，2个寄存器表示1组掩码。
32位标识符模式	CAN_FxR1和CAN_FxR2各存储1个ID，2个寄存器表示2个筛选的ID
16位掩码模式	CAN_FxR1高16位存储ID，低16位存储哪个位必须要与高16位的ID一致； CAN_FxR2高16位存储ID，低16位存储哪个位必须要与高16位的ID一致2个寄存器表示2组掩码。16位
16位标识符模式	CAN_FxR1和CAN_FxR2各存储2个ID，2个寄存器表示4个筛选的ID

• 筛选器设置举例：

ID	1	0	1	1	1	0	1	……
掩码	1	1	1	0	0	1	0	……
筛选ID	1	0	1	x	x	0	x	……

• 如在掩码模式时，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。
• 如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。

整体控制规则

CAN2外设的结构与CAN1外设是一样的，它们共用筛选器，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。