stm32F4 CAN总线学习.docx
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stm32F4CAN总线学习
STM32F4CAN学习记录
1.CAN协议学习
CAN基础
1.CAN属于多主机局部网，采用多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点，各节点之间可以实现自由通信。
2.CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级由标识符决定，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。
3.CAN总线采用差分电压传输；在空闲状态下CAN_H和CAN_L均为2.5V左右，此时的状态表示为逻辑“1”，称为“隐性”电平（差值为"0v"）；当CAN_H比CAN_L高时表示逻辑“0”，称为“显性”电平（差值为"2v"）。
显性时，通常电压值为：
CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V。
4.CAN总线采用“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。
该模式工作流程大致如下：
●当总线处于空闲状态时（呈隐性电平），任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧开始。
●当网络中存在2个及以上节点同时要求发送时就会产生竞争。
CAN总线按位对标识符进行仲裁；各节点在发送电平的同时也在监听总线，如果总线电平与发送电平不同，则表明总线上存在更高优先级的节点在发送，则节点停止发送退出竞争。
其他节点继续上述过程直到剩余1个节点，则最终优先级最高节点获得总线控制权并发送数据。
●参与总线仲裁的只有仲裁段；基础ID相同的标准can报文比扩展can报文优先级更高；相同ID的数据帧与远程帧，数据帧优先级更高。
CAN报文结构
CAN分为标准格式（CAN2.0A）和扩展格式（CAN2.0B）；标准帧采用11位标识符ID，共可表示2047条报文；扩展帧采用29位标识符ID，共可表示5亿多条报文。
CAN总线上传输的数据帧共有4种类型：
数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。
每一帧都由多个场构成，每个场也都由多个位组成。
下面分别描述着几种帧结构。
1）数据帧：
用于传输数据
数据帧由7个不同的位场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾。
数据帧组成如下图。
根据标识符ID长度的不同又可分为标准数据帧和扩展数据帧；标准格式具有11位标识符，扩展格式具有29位标识符。
两种格式的仲裁场部分不相同，其余场都基本一致；具体组成分别如下：
●标准数据帧格式
Ø帧起始：
（SOF）标志着数据帧和远程帧的起始。
它以一个比特的显性位“0”出现，只有在总线处于空闲状态时，才允许发送。
Ø仲裁场：
（ArbitrationField）由标识符（Identifier）和远程发送请求位（RTR）标志组成。
数据帧RTR＝0；远程帧RTR＝1；标识符的长度为11位，按高位在前低位在后的顺序发送，最低位为ID.0。
Ø控制场：
控制场包括两个保留位（IDE/R1、R0）和4位数据长度码（DLC），这两个保留位必须发送显性位（逻辑0）。
Ø数据场：
数据场由被发送的数据组成，包括0～8个字节（最长8字节）。
ØCRC场：
由15位CRC序列和1位CRC界定符（必须为逻辑1）组成。
Ø应答场：
（ACK）由应答间隙（逻辑1）和应答界定符（逻辑0）组成。
Ø帧结束：
每个数据帧和远程帧均由7个隐性位（逻辑1）组成。
●扩展数据帧格式
Ø帧起始：
同标准帧格式。
Ø仲裁场：
在扩展帧格式中，仲裁场由：
11位基本ID、SRR、IDE、18位扩展ID、RTR组成。
SRR位为“替代远程请求位”，属于扩展格式，它位于扩展帧中标准帧RTR的位置，因而替代标准帧的RTR位。
在扩展帧格式中，IDE属于仲裁场，采用隐性电平；标准格式中，IDE属于控制场，采用现行电平；通过IDE可以区分标准帧和扩展帧。
Ø控制场：
同标准帧格式
Ø数据场：
同标准帧格式。
ØCRC场：
同标准帧格式。
Ø应答场：
同标准帧格式。
Ø帧结束：
同标准帧格式。
2）远程帧：
用于请求具有同一标识符的数据帧
远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾。
远程帧的组成如下图。
远程帧本身没有数据场，除RTR位被设置为1，其余部分与数据帧完全相同
3）错误帧：
任何单元检测到总线错误就发出错误帧
错误帧由两个不同的场组成。
第一个场是由不同站提供的错误标志（ERRORFLAG）的叠加；第二个场是错误界定符。
出错帧的组成如下图。
错误标志重叠:
错误标志分为主动错误标志和被动错误标志。
主动错误标志由6个显性位（逻辑0）组成，被动错误标志由6个隐性位（逻辑1）组成。
当一个节点发生错误时，如果处于主动错误状态就会发送主动错误标志，处于被动错误状态时发送被点动错误标志。
错误界定符:
错误界定符由8个隐性电平（逻辑1）组成，用于结束错误帧（1位错误界定符7位EOF组成）。
4）过载帧：
用于在先行和后续数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时
过载帧通常由尚未处理完上一帧消息的CAN控制器发出，可以用于延迟网络中其他设备发送下一帧消息。
过载帧的结构类似于错误帧，过载帧包括两个位场：
过载标志和过载界定符。
过载帧的组成如下图。
过载标志：
过载标志由6个“显性”的位组成。
过载标志的所有形式和主动错误标志的一样。
过载标志的形式破坏了间歇场的固定形式。
因此，所有其他的站都检测到过载条件并与此同时发出过载标志。
过载界定符：
过载界定符包括8个“隐性”的位。
过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。
过载标志被传送后，站就一直监视总线直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的跳变。
此时，总线上的每一个站完成了过载标志的发送，并开始同时发送剩余的7个“隐性”位。
帧间空间（InterframeSpace）
数据帧（或远程帧）与先行帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论此先行帧类型如何（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）。
所不同的是，过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。
CAN错误处理
在CAN总线中，任何一个单元可能处于下列3种故障状态之一：
1.错误激活状态（ErrorActive）
处于该状态（通常说的正常状态也应该包含在内）的节点可以不受任何限制地发送报文和主动错误帧（由显性位构成）。
2.错误认可状态（ErrorPasitive）
处于被动错误状态的节点可以发送报文和被动错误帧（由隐性位构成）。
3.总线关闭状态（Busoff）
处于总线关闭状态的节点暂时不能参与总线通讯。
这一状态下，既无法发送报文，也无法接收报文。
只有发送器能够进入总线关闭状态。
每一个CAN控制器都能够检测到如下五种错误：
1.位错误（BitCheckError）
发送器在发送比特流的同时也对发出的比特流采样回收，若送出的bit与所期待的bit不合，则会检测到一个BitCheckError
2.位填充错误（BitStuffError）
在需要执行位编码规则的位流序列中检测到第6个连续的极性相同的位序流时，则检测到一个BitStuffError。
3.CRC错误（CRCError）
发送端送出的CRC序列由发送器算出，接收器执行同样的CRC算法，若计算结果与接收到的CRC序列不符，一个CRCError被检测到，由发送端送出。
4.帧格式错误（FrameCheckError）
当一个固定形式的位场含非法位，则检测到一个FrameCheckError（接收端检测到帧结束最后一位为显性时帧错误忽略）。
5.应答错误（AcknowledgmentError）
ACKSLOT采样为隐性，则检测到一个AcknowledgementError。
错误状态转换
当一个节点检测到错误时就会发送错误标志来指示错误。
处于“错误激活状态”的节点发送主动错误标志，处于“错误认可状态”的节点发送被动错误标志。
由于处于故障状态的网络设备主动发送错误标志（违反位填充规则的6个显性位）可能导致整个总线通信的瘫痪（显性位占主导）。
因此，所有CAN控制器中均内置一种基于错误计数器的故障识别功能。
该故障识别功能能够是出于故障状态的CAN控制器禁用主动错误标志，并转换到被动错误标志（隐性位），从而不影响网络中其他设备的通信。
CAN控制器内置两个错误计数器：
ReceiveErrorCounter及TranmitErrorCounter。
当某个计数器的当前值达到128时，CAN控制器将进入“被动错误模式”，此时该节点仍然参与CAN通讯，检测到错误时只能发送“被动错误帧”，且错误帧发送完毕重启下一个发送之前有8bits位时的挂起状态；当TranmitErrorCounter当前值为255接着又一个错误被检测到时，CAN控制器将进入“总线关闭模式”，此时该节点与总线完全脱离，整个瘫痪；计数器当前值均小于128时，CAN控制器被标识为“主动错误模式”，CAN节点可正常通讯并检测到错误时发送“主动错误帧”。
节点错误状态的切换与发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC）有关，三种错误状态的转换关系如下所示：
当发送错误计数器值等于或超过128时，或当接收错误计数器值等于或超过128时，节点进入“错误认可状态”。
当发送错误计数器值大于或等于256时，节点进入“总线关闭状态”。
当发送错误计数器值和接收错误计数器值都小于或等于127时，“错误认可状态”节点重新进入“错误激活状态”。
在总线监视到128次出现11个连续“隐性”位之后，“总线关闭”的节点可以变成“错误激活”节点，它的两个错误计数值也被置为0。
错误计数规则
错误计数器当检测到下述事件时将修改错误计数值：
●当接收节点检测到一个错误时，接收错误计数器将加1。
在发送“认可错误”标志或过载标志期间，所检测到的错误为位错误时，接收错误计数器值不加1。
●当接收节点发送错误标志后，检测到第一位为显性位时，接收错误计数器加8。
●当发送节点发送一错误标志时，发送错误计数器加8。
这时有两种情况除外：
1：
发送节点为“错误认可状态”测到应答错误（在应答错误中检测不到显性位），而且在发送“被动错误”标志时也检测不到“显性”位。
2：
发送节点由于在仲裁期间发生填充错误，此填充位应该为隐性位，但却检测出显性位，发送器送出错误标志。
●发送节点发送主动错误标志或过载标志时，检测到位错误时，发送错误计数器加8。
●接收节点发送主动错误标志或过载标志时，检测到位错误时，接受错误计数器加8。
●任何节点在发送主动错误标志，被动错误标志，或过载标志时最多允许7个连续的显性位。
在以下3种情况，每一发送器将它们的发送错误计数值加8，同时每一接收器的接收错误计数值加8：
1）当检测到第14个连续的“显性”位后；
2）当检测到第8个连续的“显性”位跟随在“被动错误”标志后；
3）在一个附加的8个连续“显性”位序列后。
●成功发送一帧报文后，发送错误计数器应减1，除非当前已经为0。
●成功接收一帧报文后，如果当前接收错误计数器的值大于1且小于127，则接收错误计数器减1；如果接收计数器的值为0，则保持为0；如果大于127，则它会设置一个介于119到127之间的值。
2.Stm32bxCAN学习
bxCAN基础
1.Stm32bxCAN的主要特性
●支持can协议2.0A和2.0B
●位速率高达1Mbps
●支持时间触发通信选项
发送
●3个发送邮箱
●可配置的发送优先级
●SOF传输时间戳
接收
●两个接收FIFO，每个可存储三条消息。
●28个CAN1\CAN2共享可伸缩滤波器
●标识符列表功能
●可配置FIFO溢出
●SOF接收时间戳
时间触发通信选项
●禁用自动重传模式
●16位独立运行定时器
●时间戳在最后两个数据字节发送
管理
●可屏蔽中断
●可通过软件在特定地址空间内进行邮箱映射
双CAN
●CNA1：
主bxCAN，能够管理从bxCAN和512byte的SRAM空间
●CAN2：
从bxCAN，无权限直接访问SRAM
2.bxCAN整体概述
当今CAN应用中，节点的数量在不断增加并且经常多个网络通过网关的连接在一起；因此网络上的消息数量显著增加。
除了应用消息外，网络管理和诊断报文也被引入到网络中。
●一种增强的过滤机制来处理每种类型的消息。
此外，应用程序需要更多的CPU时间，因此消息接收必须减少的需求导致了实时约束的产生。
●采用接收FIFO机制，可以使CPU长时间处理应用程序而不丢失信息。
3.控制、状态和配置寄存器
应用程序使用这些寄存器来：
●配置CAN的参数；例如：
波特率
●请求发送
●处理接收
●管理中断
●获取诊断信息
4.发送邮箱
三个发送邮箱用于软件发送消息。
发送状态机决定哪个邮箱最先发送
5.接收滤波器
bxCAN提供28个可配置伸缩滤波器，用于选择应用需要的消息并且丢弃其余消息。
stm32其他设备只拥有14个这种寄存器。
6.接收FIFO
硬件自动使用两个接收FIFO来存储收到的消息。
每个FIFO中可存储三个完整的消息，这些FIFO完全由硬件管理。
7.bxCAN操作模式
bxCAN有三个主要的操作模式：
初始化、正常和睡眠。
硬件复位后bxCAN进入睡眠模式以降低功耗同时上拉CANTX脚。
软件可以通过设置CAN_MCR寄存器中的INRQ或者SLEEP位来请求bxCAN进入初始模式或者睡眠模式。
一旦进入该模式，bxCAN通过设置CAN_MSR寄存器中的INAK或SLAK位并禁用内部上拉来确认。
当INAK和SLAK都没被设置，则bxCAN处于正常模式。
在进入正常模式前bxCAN必须与CAN总线同步。
为了同步，bxCAN会一直等待直到CAN总线进入空闲，即在CANRX引脚上收到连续11个隐性电平。
初始化模式
●软件通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位置1，来请求bxCAN进入初始化模式，然后等待硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位置1来进行确认。
●软件通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位清0，来请求bxCAN退出初始化模式，当硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位清0就确认了初始化模式的退出。
●当bxCAN处于初始化模式时，报文的接收和发送都被禁止，并且CANTX引脚输出隐性位（高电平）。
●进入初始化模式不会改变任何配置寄存器。
●为了初始化CAN控制器，软件必须设置位定时寄存器（CAN_BTR）和CAN选项寄存器（CAN_MCR）。
正常模式
●在初始化完成后，软件必须让硬件进入正常模式，以便正常接收和发送报文。
●软件可以通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位清0，来请求从初始化模式进入正常模式，然后要等待硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位置1的确认。
在跟CAN总线取得同步，即在CANRX引脚上监测到11个连续的隐性位（等效于总线空闲）后，bxCAN才能正常接收和发送报文。
●过滤器初值的设置是独立于初始化模式的，但必须在滤波器激活前完成（相应FACTx位为0）。
而滤波器的位宽和模式必须在进入正常模式前完成。
睡眠模式
●为了减少功耗，bxCAN有一个叫睡眠模式的低功耗模式。
这种模式可以通过软件设置CAN_MCR寄存器的SLEEP位为1来进入。
在该模式下bxCAN的时钟被停止，但软件仍可以访问bxCAN的邮箱。
●当bxCAN处于睡眠模式，如果软件想通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位置1，来进入初始化式，那么软件必须同时对SLEEP位清0才行。
●有2种方式可以唤醒（退出睡眠模式）bxCAN：
通过软件对SLEEP位清0，或硬件检测CAN总线的活动。
●当总线上检测到活动时，如果CAN_MCR寄存器的AWUM位被置1，那么硬件会自动通过对SLEEP位清0来执行唤醒。
当唤醒中断发生时，为了退出睡眠模式，软件会清除SLEEP位。
8.bxCAN测试模式
测试模式可以通过CAN_BTR寄存器中的SILM和LBKM位来选择，这些位必须在bxCAN处于初始化模式期间配置，一旦测试模式被选择，为了进入普通模式CAN_MCR寄存器的INRQ位必须被清0。
静默模式
通过设置CAN_BTR寄存器中的SILM位，bxCAN能够进入静默模式。
在静默模式下，bxCAN能够接受有效数据帧和有效远程帧，但它此时只能向CAN总线上发送隐性位并且不能启动传输。
如果bxCAN不得不发送显性位（ACK位、过载标志、主动错误标志），这些位会内部改航以便CAN内核能够监视这些显性位，尽管CAN总线保持着隐性状态。
静默模式可以用来在不影响显性位传输（ACK位、错误帧）的情况下分析CAN总线的流量。
静默模式示意如下：
回环模式
通过设置CAN_BTR寄存器的LBKM位，bxCAN能够进入回环模式。
在回环模式下，bxCAN将自己发送的消息当做接收消息并将其存储在接收邮箱中（如果能够通过滤波器）。
该模式是用来提供自测试功能的，为了独立于外部事件，回环模式下CAN核忽略应答错误。
在该模式下，bxCAN执行Tx输出脚到Rx输入脚的反馈。
CANRX引脚的实际功能被bxCAN忽视，传送的消息能够在CANTX引脚上被监控到。
回环模式效果示意如下：
回环模式结合静默模式
通过置位CAN_BTR寄存器中的SILM和LBKM位来结合回环模式和静默模式。
该模式能够用于“热自测”，这意味着bxCAN能够像回环测试一样自测，但不会影响到连接到CANTX和CANRX的CAN网络。
在该模式下，CANRX与总线断开，CANTX保持隐性状态（逻辑1）。
该模式示意如下：
bxCAN功能描述
发送过程
应用程序选择1个空发送邮箱；设置标识符，数据长度和待发送数据；然后对CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，以请求发送。
TXRQ位置1后，邮箱就不再是空邮箱；而一旦邮箱不再为空，软件对邮箱寄存器就不再有写的权限。
TXRQ位置1后，邮箱马上进入挂起状态，并等待成为最高优先级的邮箱，参见发送优先级。
一旦邮箱成为最高优先级的邮箱，其状态就变为预发送状态。
一旦CAN总线进入空闲状态，预定发送邮箱中的报文就马上被发送（进入发送状态）。
一旦邮箱中的报文被成功发送后，它马上变为空邮箱；硬件相应地对CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，来表明一次成功发送。
如果发送失败，由于仲裁引起的就对CAN_TSR寄存器的ALST位置1，由于发送错误引起的就对TERR位置1。
发送优先级
1）由标识符决定
当有超过1个发送邮箱在挂号时，发送顺序由邮箱中报文的标识符决定。
根据CAN协议仲裁，标识符数值最低的报文具有最高的优先级。
如果标识符的值相等，那么邮箱号小的报文先被发送。
2）由发送请求次序决定
通过对CAN_MCR寄存器的TXFP位置1，发送邮箱可以被配置为发送FIFO。
在该模式下，发送的优先级由发送请求次序决定。
该模式对分段发送很有用。
3）中断
用户可以通过对CAN_TSR寄存器的ABRQ位置1来中断传输请求。
当邮箱处于挂起状态或预发送状态，邮箱被立即中断。
当请求中断处于发送状态的邮箱时，会有两种结果：
如果邮箱已经成功发送，邮箱会被清空并且CAN_TSR寄存器中的TXOK位被置1,；如果邮箱传输失败，邮箱会变为预发送状态，并且TXOK被清0。
在所有的可能中，至少在当前传输结束时会被清空。
4）非自动传输模式
该模式是为了实现标准CAN的时间触发通信选项的要求被实现的。
要配置硬件进入该模式，CAN_MCR寄存器的NART位必须被置1。
在该模式下，每一个传输只会被开始一次。
如果首次尝试失败，无论是由于仲裁丢失还是一个错误，硬件都不会自动重传该消息。
在尝试第一次传输结束时，硬件认为请求完成并置位CAN_TSR寄存器中的RQCP位。
传输的结果通过CAN_TSR寄存器中的TXOK、ALST和TERR位指示。
时间触发通信模式
在该模式下，CAN硬件的内部定时器被激活，并且被用于产生时间戳，值被分别存储在
CAN_RDTxR/CAN_TDTxR寄存器中。
内部定时器在每个CAN位时间被增加。
内部定时器在接收和发送的帧起始位的采样点位置被采样，并生成时间戳（标有时间的数据）。
接收过程
为了接收CAN消息，3个邮箱被组织成一个FIFO。
为了减轻CPU负担，简化软件，降低数据耦合性，这些FIFO都有硬件进行管理。
应用程序访问存储在FIFO中的消息是通过FIFO输出邮箱完成的。
1）有效报文
根据CAN协议，当报文被正确接收（直到EOF域的最后1位都没有错误），且通过了标识符过滤，那么该报文被认为是有效报文。
2）FIFO管理
从空状态开始，第一个消息被正确接收并存储在FIFO中后FIFO变成“挂起1”状态，硬件通过设置CAN_RFR寄存器中的FMP[1:
0]位为01b来指示。
该消息在FIFO输出邮箱中是有效的，软件可以读走邮箱中内容并通过设置CAN_RFR寄存器中的RFOM来释放邮箱，此时FIFO会再次变成空状态。
如果同时一个有效地新消息被接收，FIFO进入“挂起1”状态，并且在输出邮箱中有新的消息。
如果应用程序没有释放邮箱，下一个有效消息被接收时FIFO进入“挂起2”状态（FMP[1:
0]=10b）。
存储过程重复直到下一个有效消息被接受，FIFO进入“挂起3”状态（FMP[1:
0]=11b）。
在此时，软件必须通过设置RFOM位来释放输出邮箱（FIFO只能存储三条消息），以便邮箱是空的能够存储下一个有效消息。
否则，下一个有效消息接收会导致消息丢失。
FIFO溢出处理
当FIFO处于“挂起3”状态时，下一个有效消息的接收会导致FIFO溢出并丢失一条消息。
硬件通过CAN_RFR寄存器中FOVR位置1来指示溢出。
溢出时，那一条消息被丢弃根据FIFO的配置来决定：
●如果FIFO锁定功能被关闭（CAN_MCR寄存器的RFLM位被清0），FIFO中的最后一位消息会被覆盖，在这种情况下最后一条消息对应用来说总是有效的。
●如果FIFO锁定功能被打开（CAN_MCR寄存器的RFLM位被置1），最新的消息将会被丢弃，则FIFO中会有三条最老的消息可用。
接收相关中断
●一旦往FIFO存入1个报文，硬件就会更新FMP[1:
0]位，并且如果CAN_IER寄存器的FMPIE位为1，那么就会产生一个中断请求。
●当FIFO变满时（即第3个报文被存入），CAN_RFxR寄存器的FULL位就被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FFIE位为1，那么就会产生一个满中断请求。
●在溢出的情况下，FOVR位被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FOVIE位为1，那么就会产生一个溢出中断请求
标识符过滤
在CAN协议里，报文的标识符不代表节点的地址，而是跟报文的内容相关的。
因此，发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。
（注：
不是一对一通信，而是多机通信）节点在接收报文时－根据标识符的值－决定软件是否需要该报文；如果需要，就拷贝到SRAM里；如果不需要，报文就被丢弃且无需软件的干预。
为满足这一需求，bxCAN为应用程序提供了28个位宽可变的、可配置的过滤器组（27~0），其他bxCAN设备提供14个位宽可变的、可配置的过滤器组（13~0）（例如stm32f103），以便只接收那些软件需要的报文。
硬件过滤节省了由软件过滤而占用的CPU开销。
每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FxR0和CAN_FxR1组成。
可伸缩位宽
为了优化使得滤波器适应应用的需要，每个滤波器能够被独立的伸缩配置。
根据不同的滤波比例滤波器可以提供：
●1个32位的滤波器，包含基本ID[10:
0]，
升级会员 