CAN总线通信协议(基础)
1.CAN简介
CAN总线（Controller Area Network Bus）控制器局域网总线 CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域 CAN总线特征： 两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少，无需共地 差分信号通信，抗干扰能力强，用电压差值传递数据 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps, <40m，用处多，着重学 低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps, <1km 异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序 11位（标准格式）/29位（扩展格式）报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级 可配置1~8字节的有效载荷
广播式(发送者向接收者写入数据，这个lan网络下的其他设备被动接收，可根据ID确定要不要接收)和
请求式（发一个数据就需要先请求再接收）两种传输方式 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性主流通信协议对比
对比其他串行通信协议：
| 名称 | 引脚 | 双工 | 时钟 | 电平 | 设备 | 应用场景 |
| UART | TX、RX | 全双工 | 异步 | 单端 | 点对点 | 两个设备互相通信 |
| I2C | SCL、SDA | 半双工 | 同步 | 单端 | 多设备 | 一个主控外挂多个模块 |
| SPI | SCK、MOSI、MISO、 SS | 全双工 | 同步 | 单端 | 多设备 | 一个主控外挂多个模块（高速） |
| CAN | CAN_H、CAN_L | 半双工 | 异步 | 差分 | 多设备 | 多个主控互相通信 |
UART
IIC
SPI
2.物理层
CAN 通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种半双工异步通讯，只具有CAN_High 和CAN_Low 两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。
发送数据时：控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx 线发送到收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High 和CAN_Low 线输出到CAN 总线网络。
接收数据时：收发器把总线上收到的CAN_High 及CAN_Low 信号转化成普通的逻辑电平信号，通过CAN_Rx 输出到控制器中
怎么确定和哪个从机通信，读写关系确定？
can类似于广播，发送者向信道写入数据，这个lan网络下的其他设备被动接收(可以根据ID确定要不要接收)
两种CAN的连接结构
1.开环总线网络：低速、远距离“开环网络”，它的最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2 千欧”的电阻。
低速CAN使用开环总线网络
2.闭环总线网络：高速、短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个“120 欧”的电阻。
电阻的作用
1.防止回波反射 尤其是 高频信号、远距离传输的场景 如果不加终端电阻 信号波形会在线路终端反射，进而干扰原始信号 。加了终端电阻 且 阻抗匹配 则电平跳变会比较平稳 2.在没有设备操作时 将两根差分线的电压 “收紧” （收紧为 电平1 呈隐性） 使其电压一致。 收紧：在没有设备操作总线的情况下 电阻就和弹簧一样 将两根线(CAN_H CAN_L) 的电压拉到同一个电平 和I2C的上拉电阻很像。
差分协议
表示逻辑1 时(隐性电平)，CAN_High 和CAN_Low 线上的电压均为2.5v，即它们的电压差VH-VL=0V；
表示逻辑0 时(显性电平)，CAN_High 的电平为3.5V，CAN_Low 线的电平为1.5V，即它们的电压差为VH-VL=2V。
例如，当CAN 收发器从CAN_Tx 线接收到来自CAN 控制器的低电平信号时(逻辑0)，它会使CAN_High 输出3.5V，同时CAN_Low 输出1.5V，从而输出显性电平表示逻辑0。
3.协议层
在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选标签和控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签，把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号了，当整个数据包被传输到其它设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据，这样的报文就被称为CAN 的“数据帧”。
为了更有效地控制通讯，CAN 一共规定了5 种类型的帧：
数据帧的结构
数据帧是在CAN 通讯中最主要、最复杂的报文。
帧起始
SOF 段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平（0），它用于通知各个节点将有数据传输。
仲裁段（ID）
当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。
仲裁段的内容主要为本数据帧的ID 信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID 信息的长度，标准格式的ID 为11 位，扩展格式的ID 为29 位，它在标准ID 的基础上多出18 位。
在CAN 协议中，ID 起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。CAN 协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息，我们会给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。也正因为它这样的优先级分配原则，使得CAN 的扩展性大大加强，在总线上增加或减少节点并不影响其它设备。
如果总线上同时出现显性电平（0）和隐性电平（1），总线的状态会被置为显性电平，CAN 正是利用这个特性进行仲裁。若两个节点同时竞争CAN 总线的占有权，当它们发送报文时，若首先出现隐性电平，则会失去对总线的占有权。
具体方式是当多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性 电平最多的单元可继续发送。
仲裁段ID 的优先级也影响着接收设备对报文的反应。因为在CAN 总线上数据是以广播的形式发送的，所有连接在CAN 总线的节点都会收到所有其它节点发出的有效数据，因而我们的CAN控制器大多具有根据ID 过滤报文的功能，它可以控制自己只接收某些ID 的报文。
回看上图数据帧的结构中的数据帧格式，可看到仲裁段除了报文ID 外，还有RTR、IDE 和SRR 位。
(1) RTR 位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平（0）时表示数据帧，隐性电平（1）时表示遥控帧。
(2) IDE 位(Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。
(3) SRR 位(Substitute Remote Request Bit)，只存在于扩展格式，它用于替代标准格式中的RTR 位。由于扩展帧中的SRR 位为隐性位，RTR 在数据帧为显性位，所以在两个ID 相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高。
控制段
在控制段中的r1 和r0 为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(Data Length Code)，译为数据长度码，它由4 个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC 段表示的数字为0~8。
数据段
数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8 个字节组成，MSB 先行。
CRC段（校验段）
为了保证报文的正确传输，CAN 的报文包含了一段15 位的CRC 校验码，一旦接收节点算出的CRC 码跟接收到的CRC 码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。CRC 部分的计算一般由CAN 控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。
（错误帧的用途：某个设备检测出错误时向其他设备通知错误。当某个设备发现总线上的波形不对，产生错误了，他就会发出错误帧，错误帧可以叠加在数据帧上，并且可以破坏数据帧的数据，意思就是我发现这一帧数据有错，现在我破坏了这个数据，大家都不要用了，这是一种错误处理机制。）
在CRC 校验码之后，有一个CRC 界定符，它为隐性位（1），主要作用是把CRC 校验码与后面的ACK段间隔起来。
ACK段（确认信号）
ACK 段包括一个ACK 槽位和一个ACK 界定符位。类似I2C 总线，在ACK 槽位中，发送节点发送的是隐性位（1），而接收节点则在这一位中发送显性位（0）以示应答。在ACK 槽和帧结束之间由ACK 界定符间隔开。
帧结束
EOF 段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7 个隐性位表示结束
4.CAN的波特率及位序
由于CAN 属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，特别地，CAN 还会使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。
位时序
为了实现位同步，CAN 协议把每一个数据位的时序分解成 位时序分解图所示的SS 段（同步段）、PTS 段（传播时间段）、PBS1 段（相位缓冲段1）、PBS2 段（相位缓冲段2），这四段的长度加起来即为一个CAN 数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq。
1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，这称为位时序。
1 位由多少个Tq 构成、每个段又由多少个Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。
上图第一张图设定CAN 通讯信号每一个数据位的长度为10Tq，其中SS 段占1Tq，PTS 段占3Tq，PBS1段占3Tq，PBS2 段占3Tq。
信号的采样点位于PBS1 段与PBS2 段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样，例如上图第二第三张图。
CAN通信频率：CAN总线时钟分频 = 42MHz /PSC(不需要+1) = 42 / 6 =7MHz
CAN通信单位时间Tq： 1/ 频率 = 1/ 7MHz = 1/7us
can把每个电平划分为了四个段:SS(起始段，固定一个Tq)、PTS(传播时间段)、PBS1、PBS2(至少两个Tq)
采样在PBS1和PBS2之间完成，PBS1可以延长、PBS2可以缩短(延长缩短的极限是SJW，TIPS:以上所有的值都是多少个单位时间Tq)。利用划分的四段，保证电平变换在SS段完成，采样点在PBS1和PBS2之间。
各段的作用如介绍下：
• SS 段
SS 译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。SS 段的大小固定为1Tq。
• PTS 段
PTS 译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上延时总和的两倍。PTS 段的大小可以为1~8Tq。
• PBS1 段
PBS1 译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。PBS1 段的初始大小可以为1~8Tq。
• PBS2 段
PBS2 这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。PBS2 段的初始大小可以为2~8Tq。
通讯的波特率
总线上的各个通讯节点只要约定好1 个Tq 的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN 通讯的波特率。
例如，假设上图中的1Tq=1us，而每个数据位由10 个Tq 组成，则传输一位数据需要时间T=10us，从而每秒可以传输的数据位个数为：
1x10^6/10 = 100000 (bps)
这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。
取得同步的方法
1.硬同步
节点将自己的位时序种的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步
硬同步只是当存在“帧起始信号”时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题。
2.再同步
前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而需要引入再同步方式，它利用普通数据位的隐性至显性电平的跳变沿来同步。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的SS 段把跳变沿包含起来。
同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与SS 段的相对位置进行区分。
-
相位超前：
假设节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前2Tq，这时控制器在下一个位时序中的PBS1 段增加2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。
-
相位滞后：
假设节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后2Tq，这时控制器在前一个位时序中的PBS2 段减少2Tq 的时间长度，获得同步。
在重新同步的时候，PBS1 和PBS2 中增加或减少的这段时间长度被定义为“重新同步补偿宽度SJW (reSynchronization Jump Width)”。一般来说CAN 控制器会限定SJW 的最大值，如限定了最大SJW=3Tq 时，单次同步调整的时候不能增加或减少超过3Tq 的时间长度，若有需要，控制器会通过多次小幅度调整来实现同步。当控制器设置的SJW 极限值较大时，可以吸收的误差加大，但通讯的速度会下降。
5.CAN 初始化结构体
/**
* CAN filter init structure definition
* CAN 筛选器结构体
*/
typedef struct {
//配置两个16位ID和两个16位掩码 - 32位是由两个16位拼接来的，在标志列表模式下也可以把掩码当成ID
uint16_t CAN_FilterIdHigh; /*CAN_FxR1 寄存器的高16 位*/
uint16_t CAN_FilterIdLow; /*CAN_FxR1 寄存器的低16 位*/
uint16_t CAN_FilterMaskIdHigh; /*CAN_FxR2 寄存器的高16 位*/
uint16_t CAN_FilterMaskIdLow; /*CAN_FxR2 寄存器的低16 位*/
uint16_t CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0; /* 设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO
uint8_t CAN_FilterNumber; /* 筛选器编号，范围0-27*/
uint8_t CAN_FilterMode; /* 筛选器模式*/
uint8_t CAN_FilterScale; /* 设置筛选器的尺度 - 16位ID或32位ID*/
FunctionalState CAN_FilterActivation; /* 是否使能本筛选器*/
} CAN_FilterInitTypeDef;(1) CAN_FilterIdHigh
用于存储要筛选的ID，若筛选器工作在32 位模式，它存储的是所筛选ID 的高16 位；若筛选器工作在16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的ID。
(2) CAN_FilterIdLow
也是用于存储要筛选的ID，若筛选器工作在32 位模式，它存储的是所筛选ID 的低16 位；若筛选器工作在16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的ID。
(3) CAN_FilterMaskIdHigh
CAN_FilterMaskIdHigh 分两种情况，当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与CAN_FilterIdHigh 相同，都是存储要筛选的ID；而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是CAN_FilterIdHigh 成员对应的掩码，与CAN_FilterMaskIdLow 组成一组筛选器。
4) CAN_FilterMaskIdLow
CAN_FilterMaskIdLow 存储的内容也分两种情况，当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与CAN_FilterIdLow 相同，都是存储要筛选的ID；而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是CAN_FilterIdLow 成员对应的掩码，与CAN_FilterMaskIdHigh组成一组筛选器。
不同模式下各结构体成员的内容：
用库函数CAN_FilterInit 即可把这些参数写入到筛选控制寄存器中。
数据收发流程
封装或者解析相应的数据报，收（判断FIFO缓冲区有没有数据，没数据就收不了），发（返回发送所用的邮箱号，读取和存储报文数据段的内容）
can.c
#include "public.h"
//canrx PA11 cantx PA12
static void CAN_GPIO_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
//CAN TX/RX
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//引脚复用
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_CAN1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1);
}
static void CAN_NVIC_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = CAN1_RX0_IRQn; //CAN RX0中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占优先级0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //子优先级为0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
static void CAN_Mode_Config(void)
{
CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;
/************************CAN通信参数设置**********************************/
/* Enable CAN clock */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);
/* CAN Baudrate = 1 MBps (1MBps已为stm32的CAN最高速率) (CAN 时钟频率为 APB 1 = 42 MHz) */
CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=6;//时钟频率=42MHz/6=7MHz 周期 = 1/7
CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_LoopBack;//回环模式
CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_2tq;//重新同步跳跃宽度 2个时间单元
/* ss=1 bs1=4 bs2=2 位时间宽度为(1+4+2) 波特率即为时钟周期tq*(1+4+2) *///7MHz / ss+bs1+bs2 = 1MHz
CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_4tq;//时间段1 占用了4个时间单元
CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_2tq;//时间段2 占用了2个时间单元
CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE;//关闭时钟港出发
CAN_InitStructure.CAN_ABOM = ENABLE;//离线自动管理
CAN_InitStructure.CAN_AWUM = ENABLE;//自动唤醒功能
CAN_InitStructure.CAN_NART = ENABLE;//自动重传功能 - 直到成功
CAN_InitStructure.CAN_RFLM = ENABLE;//锁定FIFO，数据缓冲区满了新数据自动丢弃
CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE;//是否使能优先级判定，不使能则按照报文ID的优先级
CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);
}
/*CAN的过滤器 配置
把筛选器第0 组配置成了32 位的掩码模式，并且把它的输出连接到接收FIFO0，若通
过了筛选器的匹配，报文会被存储到接收FIFO0
*/
static void CAN_Filter_init(void)
{
CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
/*CAN筛选器初始化*/
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 1; /* 筛选器编号，范围0-27*/
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask ; /* 筛选器模式 - 掩码模式*/
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; /* 设置筛选器的尺度 - 位宽为单个32位*/
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000; /*要筛选的寄存器的高16 位 - CAN_FxR1 */
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000; /*要筛选的寄存器的低16 位 - CAN_FxR1 */
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; /*筛选器的高16 位每位必须匹配 - CAN_FxR2 */
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000; /*筛选器的低16 位每位必须匹配 - CAN_FxR2 */
CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0; // 设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO
FunctionalState CAN_FilterActivation = ENABLE; /* 是否使能本筛选器*/
//CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
/*CAN通信中断使能*/
//CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP0, ENABLE);
}
//完整配置CAN的功能
void CAN_Config(void)
{
CAN_GPIO_init();
//CAN_NVIC_Config();
CAN_Mode_Config();
CAN_Filter_init();
}
u8 CAN_Send_data(u8 *data)
{
CanTxMsg datatosend;
int i= 0;
uint8_t Mailbox = 0;
datatosend.StdId = 0x01; /* 存储报文的标准标识符11 位，0-0x7FF. */
datatosend.ExtId = 0x01; /* 存储报文的扩展标识符29 位，0-0x1FFFFFFF. */
datatosend.IDE = CAN_Id_Extended; /* 存储IDE 扩展标志*/
datatosend.RTR = CAN_RTR_Data; /* 存储RTR 远程帧标志*/
datatosend.DLC = 8; /* 存储报文数据段的长度，0-8 */
for(i=0;i<8;i++)
{
datatosend.Data[i] = data[i]; /* 存储报文数据段的内容*/
}
Mailbox = CAN_Transmit(CAN1,&datatosend);
while((CAN_TransmitStatus(CAN1,Mailbox)==CAN_TxStatus_Failed) && (i<0xFFFF))
i++;//等待发送结束
if(i>=0xFFFF)
return 0;//超时跳出
return 1;
}
u8 CAN_Receive_data(u8 *data)
{
CanRxMsg datatorev;
int i = 0;
if(CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0) == 0)
{
return 0;//没有接收到数据，直接退出
}
CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&datatorev);//读取数据
for(i=0;i<datatorev.DLC;i++)
{
data[i] = datatorev.Data[i]; /* 存储报文数据段的内容*/
}
return datatorev.DLC;
}
main.c
#include "public.h"
int main(void)
{
u8 msg[8] = {45,46,47,48,49,50};
u8 canbuf[8];
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
SysTick_Init();
USART_Init_Config();
KEY_Init();
LED_Init();
CAN_Config();
u8 k =0;
u8 i =0;
while(1)
{
if(GetStaKey() == true)
{
CAN_Send_data(msg);
GPIO_ToggleBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
}
Delay_ms(1);
k = CAN_Receive_data(canbuf);
if(k)
{
for(i=0;i<k;i++)
{
printf("%d ",canbuf[i]);
}
}
}
}