CAN学习笔记（2）

笔者学习主要根据野火的学习资料，还有些是正点原子和网上查找的，自己略微整理了下，作为自己的学习记录，也供大家学习指教

一、STM32 的 CAN 外设简介

​ STM32自带的是bxCAN,即基本扩展CAN（Basic Extended 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。

​ STM32的bxCAN的主要特点有：

1. 支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式；
2. 波特率最高达1Mbps；
3. 支持时间触发通信；
4. 具有三个发送邮箱；
5. 具有3级深度的2个接收FIFO；
6. 可变的过滤器组（最多28个）。

二、STM32 的 CAN 架构剖析

图1 STM32 的 CAN 外设架构图（互联型产品）

​ 如图1所示，在互联型产品中，共有 2 组 CAN控制器，每组CAN控制器包含了CAN控制内核、发送邮箱和接收FIFO。其中验收筛选器为两组CAN控制共用。同时，作为主设备的CAN1，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。如果实际产品只有一组CAN控制，那么也就没有序号⑤的这个部分。

1.CAN 控制内核

​ CAN控制内核就是图1框图中的序号①所框选的部分，其中最主要的就是主控制寄存器 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。

①DBF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。

②TTCM 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。

③ABOM 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。

④ 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。

⑤ 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。

⑥ 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。

⑦TXFP 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。

​ 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，见图2。

​ 图2 四种工作模式

​ 各个工作模式介绍如下：

① 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。

② 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。

③ 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。

④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，例如，当输出直接连输入时，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。

(3) 位时序及波特率

​ STM32 外设定义的位时序与 CAN 标准时序不同，少了一个PTS 段(PROP SEG)，详细见图3。

图3 STM32 中 CAN 的位时序

​ 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。其中， BS1段可以理解为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，我们就可以确定每个 CAN 数据位的时间：

​ BS1 段时间：
$$TS1=Tq\times (TS1[3:0]+1)$$
​ BS2 段时间：
$$TS2=Tq\times (TS2[2:0]+1)$$
​ 一个数据位的时间：
$$
T1bit =1Tq+TS1+TS2 =1+ (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)= N Tq

$$其中单个时间片的长度\ast \ast Tq\ast \ast 与CAN外设的所挂载的时钟总线及分频器配置有关，CAN1和CAN2外设都是挂载在\ast \ast APB1总线\ast \ast 上的，而位时序寄存器\ast \ast CA{N}_{B}TR\ast \ast 中的\ast \ast BRP[9:0]\ast \ast 寄存器位可以设置CAN外设时钟的分频值，所以：$$
Tq = (BRP[9:0]+1) × TPCLK
$$
​ 其中的 PCLK 指 APB1 时钟。

​ 最终可以计算出 CAN 通讯的波特率：
$$BaudRate=1/NTq$$
​ 以1Mbps为例，详细配置数据如表1所示。

表1 一种配置波特率为 1Mbps 的方式

参数	说明
SYNC_SE 段	固定为 1Tq
BS1 段	设置为 5Tq (实际写入 TS1[3:0]的值为 4)
BS2 段	设置为 3Tq (实际写入 TS2[2:0]的值为 2)
TPCLK	APB1 按默认配置为 F=36MHz，TPCLK=1/36M
CAN 外设时钟分频	设置为 4 分频(实际写入 BRP[9:0]的值为 3)
1Tq 时间长度	Tq = (BRP[9:0]+1) x TPCLK =4 x 1/36M=1/9M
1 位的时间长度	T1bit =1Tq+TS1+TS2=1+5+3 = 9Tq
波特率	BaudRate = 1/N Tq=1/(1/9M x 9)=1Mbps

(4) CAN发送邮箱

​ 如图1CAN 外设架构图（互联型产品）所示，一个CAN控制器共有三个发送邮箱，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，它们的功能见表 2。

表2 发送邮箱的寄存器

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。

（5）CAN 接收 FIFO

​ 如图1CAN 外设架构图（互联型产品）所示，一个CAN控制器有 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，它们的功能见表3。

表3 接收 FIFO的寄存器

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

​ 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。

（6）验收筛选器

​ 如图1CAN 外设架构图（互联型产品）所示，一个CAN 外设的验收筛选器，共有最多一共有 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。其中STM32F103 系列芯片仅有 14 个筛选器组：0-13 号。

​ 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：

​ ① 检查 STDID[10:0]、 EXTID[17:0]、 IDE 和 RTR 位，一共 31 位。

​ ② 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：

​ (1) 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。

​ (2) 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4 的 4 种状态。

图4 筛选器的 4 种工作状态

​ 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 4。

表4 筛选器的工作状态说明

寄存器名	功能
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 存储待发送报文的 DLC 段的 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.

​ 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。

表5 范例

ID	1	0	1	1	1	0	1	…
掩码	1	1	1	0	0	1	0	…
筛选的ID	1	0	1	X	X	0	X	…

​ 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。

| 1    | 0    | ...  |

| 筛选的ID | 1 | 0 | 1 | X | X | 0 | X | … |

​ 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。