STM32--CAN通訊實(shí)驗(yàn)

myeveryheart 發(fā)布于2021-09-06 15:00 / 3858人閱讀

摘要：而及是一對(duì)差分信號(hào)線，使用差分信號(hào)。幀結(jié)束表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段?？刂贫慰刂贫斡蓚€(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。有效消息當(dāng)消息依據(jù)協(xié)議正確接收并且成功通過標(biāo)識(shí)符篩選后，該消息將視為有效。

CAN協(xié)議介紹

物理層

閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

CAN協(xié)議介紹

物理層

CAN 通訊并不是以時(shí)鐘信號(hào)來進(jìn)行同步的，它是一種異步通訊，只具有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條信號(hào)線，共同構(gòu)成一組差分信號(hào)線，以差分信號(hào)的形式進(jìn)行通訊。

CAN的物理層有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)和開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)，我們將依次介紹他們。

閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：高速、近距離。

它的總線最大長(zhǎng)度為 40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個(gè)“120 歐”的電阻。

CAN閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：低速、遠(yuǎn)距離。

它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為 125kbps，兩根總線是獨(dú)立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個(gè)“2.2 千歐”的電阻。

CAN閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

?通訊節(jié)點(diǎn)

CAN 總線上可以掛載多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào) 經(jīng)過總線傳輸，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通訊。

由于 CAN 通訊協(xié)議不對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，而是對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行編碼的，所以網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)理論上不受限制，只要總線的負(fù)載足夠即可，可以通過中繼器增強(qiáng)負(fù)載。

CAN 通訊節(jié)點(diǎn)由一個(gè) CAN 控制器及 CAN 收發(fā)器組成，控制器與收發(fā)器之間通過 CAN_Tx 及 CAN_Rx 信號(hào)線相連，收發(fā)器與 CAN 總線之間使用 CAN_High 及 CAN_Low 信號(hào)線相連。而 CAN_High 及 CAN_Low 是一對(duì)差分信號(hào)線，使用差分信號(hào)。

差分信號(hào)

與傳統(tǒng)使用單根信號(hào)線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號(hào)傳輸時(shí)，需要兩根信號(hào)線，這兩個(gè)信號(hào)線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號(hào)線的電壓差值來表示邏輯 0 和邏輯 1。

?差分信號(hào)傳輸具有如下優(yōu)點(diǎn)：

抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎會(huì)同時(shí)耦合到兩條信號(hào)線上。所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
能有效抑制它對(duì)外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。
時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。

CAN信號(hào)	高速CAN		低速CAN
電平	顯性	隱性	顯性	隱性
CAN_H	3.50	2.50	4.00	1.75
CAN_L	1.50	2.50	1.00	3.25
電位差	2.00	0	3.00	-1.50

?由于CAN總線的仲裁機(jī)制采取“線與”的方式對(duì)總線上的信號(hào)進(jìn)行仲裁。因此，假如有兩個(gè) CAN 通訊節(jié)點(diǎn)，在同一時(shí)間，一個(gè)輸出隱性電平，另一個(gè)輸出顯性電平，“線與”的總線仲裁機(jī)制將使它處于顯性電平狀態(tài)。因此低電平“0”被成為顯性電平。

物理層特征總結(jié)

協(xié)議層簡(jiǎn)介

CAN的波特率

由于 CAN 屬于異步通訊，沒有時(shí)鐘信號(hào)線，連接在同一個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)像串口異步通訊那樣，節(jié)點(diǎn)間使用約定好的波特率進(jìn)行通訊

總線上的各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)只要約定好 1 個(gè) Tq 的時(shí)間長(zhǎng)度以及每一個(gè)數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個(gè)Tq，就可以確定 CAN 通訊的波特率。

位時(shí)序

為了實(shí)現(xiàn)位同步，在STM32數(shù)據(jù)手冊(cè)中通過將標(biāo)稱位時(shí)間劃分為以下三段

同步段 (SYNC_SEG)：位變化應(yīng)該在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。它只有一個(gè)時(shí)間片的固定長(zhǎng)度 (1 x tCAN)
位段 1 (BS1)：定義采樣點(diǎn)的位置。它包括 CAN 標(biāo)準(zhǔn)的 PROP_SEG 和 PHASE_SEG1。其持續(xù)長(zhǎng)度可以在 1 到 16 個(gè)時(shí)間片之間調(diào)整，但也可以自動(dòng)加長(zhǎng)，以補(bǔ)償不同網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)的頻率差異所導(dǎo)致的正相位漂移。
位段 2 (BS2)：定義發(fā)送點(diǎn)的位置。它代表 CAN 標(biāo)準(zhǔn)的 PHASE_SEG2。其持續(xù)長(zhǎng)度可以在 1 到 8 個(gè)時(shí)間片之間調(diào)整，但也可以自動(dòng)縮短，以補(bǔ)償負(fù)相位漂移。

?關(guān)于同步，還有硬件同步、再同步等操作。更多關(guān)于位時(shí)序的內(nèi)容可以參看 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)。

幀類型、作用及格式

為了更有效地控制通訊，CAN 一共規(guī)定了 5 種類型的幀：

我們?cè)谶@里主要介紹一下數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由 7 個(gè)段構(gòu)成：

幀起始：表示數(shù)據(jù)幀開始的段.
仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。
控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。
數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可發(fā)送 0～8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
CRC段：檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段。
ACK段：表示確認(rèn)正常接收的段。
幀結(jié)束：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

幀起始

表示幀開始的段。1 個(gè)位的顯性位。

仲裁段

表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)的段。

標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式在此的構(gòu)成有所不同。

控制段

控制段由 6 個(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的構(gòu)成有所不同。

數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段可包含 0～8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。從 MSB（最高位）開始輸出。

CRC段

CRC 段是檢查幀傳輸錯(cuò)誤的幀。由 15 個(gè)位的 CRC 順序和 1 個(gè)位的 CRC 界定符（用于分隔的位）構(gòu)成。

ACK段?

?ACK 段用來確認(rèn)是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 個(gè)位構(gòu)成。

幀結(jié)束?

?幀結(jié)束是表示該該幀的結(jié)束的段。由 7 個(gè)位的隱性位構(gòu)成。

STM32CAN外設(shè)

?從圖上我們可以看到，CAN 1與CAN 2為主從關(guān)系，CAN 1為Master ( 主 ) ，CAN 2為Slave ( 從 ) 。CAN 1和CAN 2有各自的3個(gè)發(fā)送郵箱，2個(gè)FIFO Buffer緩沖，6個(gè)接收郵箱。但是，28個(gè)Filter 過濾器卻是共用的，我們可以規(guī)定，哪些Filter給那個(gè)CAN用，甚至可以在程序運(yùn)行的時(shí)候調(diào)控。

● CAN1：主 bxCAN，用于管理 bxCAN 與 512 字節(jié) SRAM 存儲(chǔ)器之間的通信。

● CAN2：從 bxCAN，無法直接訪問 SRAM 存儲(chǔ)器。

● 兩個(gè) bxCAN 單元共享 512 字節(jié) SRAM 存儲(chǔ)器

?CAN 發(fā)送郵箱

CAN 1和CAN 2有各自的3個(gè)發(fā)送郵箱，最多可以緩存 3 個(gè)待發(fā)送的報(bào)文。

為了發(fā)送消息，程序必須在請(qǐng)求發(fā)送之前選擇一個(gè)空的發(fā)送郵箱，使郵箱退出空的狀態(tài)，進(jìn)入掛起狀態(tài)。此時(shí)，對(duì)于掛起的郵箱，軟件無法再對(duì)其訪問。進(jìn)入掛起狀態(tài)后，優(yōu)先級(jí)高的郵箱將優(yōu)先發(fā)送。發(fā)送后的郵箱將恢復(fù)到空的狀態(tài)。

?CAN 接收 FIFO

?為了接收 CAN 消息，提供了構(gòu)成 FIFO 的三個(gè)郵箱。為了節(jié)約 CPU 負(fù)載，F(xiàn)IFO 完全由硬件進(jìn)行管理。應(yīng)用程序通過 FIFO 輸出郵箱訪問 FIFO 中所存儲(chǔ)的消息。

?有效消息

當(dāng)消息依據(jù) CAN 協(xié)議正確接收并且成功通過標(biāo)識(shí)符篩選后，該消息將視為有效。

?接收處理

當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)，F(xiàn)IFO 的報(bào)文計(jì)數(shù)器會(huì)自增，而 STM32 內(nèi)部讀取 FIFO 數(shù)據(jù)之后，報(bào)文計(jì)數(shù)器會(huì)自減，我們通過狀態(tài)寄存器可獲知報(bào)文計(jì)數(shù)器的值

上溢

?標(biāo)識(shí)符篩選

?在 CAN 協(xié)議中，消息的標(biāo)識(shí)符與節(jié)點(diǎn)地址無關(guān)，但與消息內(nèi)容有關(guān)。因此，發(fā)送器將消息廣播給所有接收器。在接收到消息時(shí)，接收器節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)標(biāo)識(shí)符的值來確定軟件是否需要該消息。STM32 的 CAN 外設(shè)接收?qǐng)?bào)文前會(huì)先使用驗(yàn)收篩選器檢查，只接收需要的報(bào)文到 FIFO 中。

CAN1與CAN2整體邏輯

CAN2 外設(shè)的結(jié)構(gòu)與 CAN1 外設(shè)是一樣的，他們共用篩選器且由于存儲(chǔ)訪問控制器由 CAN1 控制，所以要使用 CAN2 的時(shí)候必須要使能 CAN1 的時(shí)鐘。

HAL庫函數(shù)

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_ActivateNotification(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t ActiveITs);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
- ActiveITs：表明哪個(gè)中斷會(huì)被啟動(dòng)，開啟改中斷的消息提示
返回值
- HAL_StatusTypeDef：如果開啟成功，返回HAL_OK；如果失敗，返回HAL_ERROR

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_Start(CAN_HandleTypeDef *hcan);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
返回值
- HAL_StatusTypeDef：如果開啟成功，返回HAL_OK；如果失敗，返回HAL_ERROR

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_ConfigFilter(CAN_HandleTypeDef *hcan, CAN_FilterTypeDef *sFilterConfig);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
- sFilterConfig：指向Filter過濾器配置結(jié)構(gòu)體
返回值
- HAL_StatusTypeDef：如果開啟成功，返回HAL_OK；如果失敗，返回HAL_ERROR

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_AddTxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[], uint32_t *pTxMailbox);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
- pHeader：指向發(fā)送數(shù)據(jù)的配置結(jié)構(gòu)體
- aData[]：指向需要發(fā)送的數(shù)據(jù)
- pTxMailbox：該函數(shù)會(huì)返回用于儲(chǔ)存發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送郵箱編號(hào)到該變量

返回值
- HAL_StatusTypeDef：如果添加成功，返回HAL_OK；如果失敗，返回HAL_ERROR

uint32_t HAL_CAN_IsTxMessagePending(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t TxMailboxes);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
- TxMailboxes：指向發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送郵箱
返回值
- uint32_t：如果有發(fā)送數(shù)據(jù)正在等待發(fā)送，返回1；如果沒有，返回0

void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan);

在寫代碼的時(shí)候，在main.c中創(chuàng)建HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback函數(shù)
在該函數(shù)中填寫在FIFO 0中已經(jīng)沒有正在等待接收的數(shù)據(jù)的時(shí)候開啟中斷，需要執(zhí)行的代碼

HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t RxFifo, CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[]);

參數(shù)
- hcan：指向CAN配置結(jié)構(gòu)體
- RxFifo：指向負(fù)責(zé)接收的FIFO
- pHeader：指向接收數(shù)據(jù)的配置結(jié)構(gòu)體
- aData[]：指向需要接收的數(shù)據(jù)
返回值
- HAL_StatusTypeDef：如果接收成功，返回HAL_OK；如果失敗，返回HAL_ERROR