AIR32F103(九) CAN总线的通信和ID过滤机制及实例

时间：2023-02-26 07:10:41

CAN 总线

CAN是 Controller Area Network 的简称, 最初由BOSCH公司开发, 后来成为国际标准(ISO 11898), 是当前应用最广泛的现场总线之一, 是汽车控制系统和嵌入式工业控制局域网事实上的标准.

CAN 总线的物理连接

相对于近距离传输的I2C, SPI协议, 以及RS485总线, CAN 总线定义了更先进的物理层和链路层, 以及种类丰富的上层协议. 与I2C, SPI等基于时钟信号同步的通讯方式不同, CAN通讯不使用时钟信号进行同步, 它是一种异步通讯, 只有 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.

CAN 物理层主要分为闭环总线及开环总线网络两种形式, 一个适合于高速通讯, 一个适合于远距离通讯.

  • CAN闭环通讯网络是一种遵循 ISO11898 标准的高速, 短距离网络, 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欧的电阻做阻抗匹配, 减少回波反射.
  • CAN开环总线网络是遵循 ISO11519-2 标准的低速, 远距离网络, 最大传输距离为1km, 最高通讯速率为125kbps, 两根总线互相独立, 不形成闭环, 要求每根总线上各串联有一个 2.2KR 的电阻.

关于共地

CAN 在多个收发器之间的连接, 可以不共地, 只需要 CANH 和 CANL 两线连接.

CAN 总线的通信机制

CAN总线上可以挂载多个通讯节点, 节点之间的信号经过总线传输, 实现节点间通讯. CAN通讯协议不对节点进行地址编码, 而是对数据内容进行编码, 所以网络中的节点个数理论上不受限制, 只要总线的负载足够即可, 可以通过中继器增强负载.

CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成, 控制器与收发器之间通过 CAN_Tx及 CAN_Rx 信号线相连, 收发器与CAN总线之间使用 CAN_High 及 CAN_Low 信号线相连. 其中 CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的类似TTL逻辑信号, 而 CAN_High 及 CAN_Low 是一对差分信号线, 当CAN节点需要发送数据时, 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 输出到CAN总线网络. 收发器接收总线上的数据时则是相反的过程, 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, 再通过 CAN_Rx 输出到控制器中.

差分信号

差分信号又称差模信号, 与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别, 使用差分信号传输时, 需要两根信号线, 这两个信号线的振幅相等, 相位相反, 通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1. 相对于单信号线传输的方式, 使用差分信号传输具有如下优点

  • 抗干扰能力强, 当外界存在噪声干扰时, 几乎会同时耦合到两条信号线上, 而差分信号只关心两个信号的差值, 所以外界的共模噪声可以被抑制
  • 能有效抑制它对外部的电磁干扰, 由于两根信号的极性相反, 对外辐射的电磁场可以相互抵消, 耦合的越紧密, 泄放到外界的电磁能量越少
  • 时序定位精确, 由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点, 而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断, 因而受工艺, 温度的影响小, 能降低时序上的误差, 同时也更适合于低幅度信号的电路

由于差分信号的这些优点, 在USB协议, 485协议, 以太网协议及CAN协议的物理层中, 都使用了差分信号传输.

CAN协议中的差分信号

CAN协议中对它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分信号做了规定. 以高速CAN协议为例, 当表示逻辑1时(隐性电平), CAN_High 和 CAN_Low 线上的电压均为2.5V, 即它们的电压差为 0, 而表示逻辑0时(显性电平), CAN_High的电平为 3.5V, CAN_Low线的电平为1.5V, 电压差为 2V.

CAN 总线的特点

CAN 总线网络是一种多主网络, 在总线处于空闲状态时, 任何一个节点单元都可以申请成为主机, 向总线发送消息. 其原则是: 最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权, 多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时, 将发生仲裁事件, 具有高优先级的节点单元将获得总线控制权.

CAN 协议中, 所有的消息都以固定的数据格式打包发送. 两个以上的节点单元同时发送信息时, 根据节点标识符(常称为 ID, 打包在固定的数据格式中)决定各自优先级关系, CAN 总线没有其他总线的地址概念, 在总线上增加节点单元时, 连接在总线的其他节点单元的软硬件都不需要改变.

CAN 总线的通信速率和总线长度有关, 在总线长度小于 40m 的场合中, 数据传输速率可以达到 1Mbps, 而即便总线长度上升至 1000m, 数据的传输速率仍可达到 50Kbps, 无论在速率还是传输距离都明显优于常见的 RS232, RS485 和 I2C 总线.

对于总线错误, CAN 总线有错误检测功能, 错误通知功能, 错误恢复功能三种应对措施, CAN 总线上的每个节点都可以通过判断得出, 当前总线上的错误是暂时错误(如瞬间的强干扰)还是持续错误(如总线断裂). 当总线上发生持续错误时, 引起故障的节点单元会自动脱离总线.

CAN 总线上的节点数量在理论上没有上限, 但在实际上收到总线上的时间延时及电气负载的限制. 降低最大通信速率可以增加节点单元的连接数, 反之减少节点单元的连接数则最大通信速率可以提高.

CAN 总线通信

CAN 数据位传输时间

为了实现位同步, CAN协议把每一个数据位(bit)的时序分解成SS段, PTS段, PBS1段, PBS2段, 这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度.

CAN传输的最小的时间单位是Tq(即CAN外设的时钟周期), 一个完整的位由8~25个Tq组成.

CAN 的数据帧

CAN 总线的数据通信是以数据帧的格式进行的, 了解CAN的数据帧, 可以帮助了解CAN的过滤机制. 下面是一个完整的CAN数据帧的结构

AIR32F103(九) CAN总线的通信和ID过滤机制及实例

  • SOF 应该是 start of frame, 一个bit位拉低总线用于开始传输
  • Identifier 就是数据的 ID, 11个bit
  • RTR (Remote Transmission Request) 用于声明这是一个数据帧还是一个远程帧
  • IDE 用于声明使用的标准ID还是扩展ID
  • r 是一个保留 bit
  • DLC 用于声明后面携带的数据字节数量
  • Data Field 包含的是发送的数据, 最多不超过8个字节
  • Checksum 和 DEL 是校验码和对应的分隔符
  • ACK 和 DEL 是响应位和对应的分隔符

CAN 数据帧对应的代码

用C语言描述的CAN帧整体结构为

CAN_TxHeaderTypeDef   TxHeader;
uint8_t               TxData[8];
uint32_t              TxMailbox;
  • TxHeader 用于存储头信息, 包含了 RTR, DLC 等, 在SPL中对应的类型为 CAN_TxHeaderTypeDef
  • TxData 用于存储传输的数据
  • TxMailbox 用于发送此消息的 mailbox

帧头的结构和帧数据

TxHeader.StdId = 0x446;
TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;  // Remote or data frame
TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;    // Standard or extended
// reserved bit
TxHeader.DLC = 2;             // Data length in bytes
  • CAN_ID_STD 表示使用了标准ID模式(非扩展ID)
  • 0x446 就是发送的ID, 位宽最大为 11-bit
  • CAN_RTR_DATA 表示这个帧为数据帧
  • DLC 标识后面数据的字节长度, 因为发送两个字节, 所以这里是2
  • 随后在 TxData 中存储两个字节
TxData[0] = 50;  
TxData[1] = 0xAA;

AIR32F103 / STM32 的 CAN 外设

以下的描述适用于AIR32F103和STM32.

bxCAN 控制器 (Basic Extended CAN) 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1Mbps, 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波特率的计算

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, 可以确定每个CAN数据位的时间

BS1段时间

Tbs1 =Tq x (TS1[3:0] + 1)

BS2段时间

Tbs2 = Tq x (TS2[2:0] + 1)

整个数据位的时间

Tbit = 1Tq + Tbs1 +Tbs2 = 1 + (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)

Tq 是 CAN 通信的最小时间单元, 与 CAN 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

Tq = brp * Tpclk = (BRP[9:0]+1) * Tpclk

其中的PCLK指APB1时钟, 默认值为36MHz. 可以计算出 CAN 的波特率:

BaudRate = 1 / Tbit = Fpclk / ((Tbs1 + Tbs2 + 1) * brp)

CAN 波特率的设置

CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE; // time triggered communication mode off
CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE; // automatic bus-off management off
CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE; // automatic wake-up mode off, wakeup by software cleaar CAN->MCR SLEEP bit
CAN_InitStructure.CAN_NART = ENABLE;  // no-automatic retransmission mode on
CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE; // rx FIFO Locked mode off
CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE; // transmit FIFO priority off
CAN_InitStructure.CAN_Mode = mode;
// Set baud rate
CAN_InitStructure.CAN_SJW = tsjw;      // synchronisation_jump_width, CAN_SJW_1tq ~ CAN_SJW_4tq
CAN_InitStructure.CAN_BS1 = tbs1;      // number of time quanta in Bit Segment 1, CAN_BS2_1tq ~ CAN_BS2_8tq
CAN_InitStructure.CAN_BS2 = tbs2;      // number of time quanta in Bit Segment 2, CAN_BS1_1tq ~ CAN_BS1_16tq
CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = brp; // clock prescaler, 1~1024
CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);

CAN 的ID过滤机制

CAN 是一种典型的广播式网络, 在实际应用中, 如果只希望接收到特定类型的数据, 就要借助过滤器来实现. AIR32/STM32的CAN控制器包含14个过滤器, 可以设置为 屏蔽模式 或 列表模式 对CAN总线上的报文进行过滤. 当节点希望接收到一种报文时, 可以用屏蔽位模式进行过滤, 当节点希望接受到单一类型报文时, 应该配置为列表模式.

CAN控制器的每个过滤器都具备一个寄存器, 称为屏蔽寄存器。其中标识符寄存器的每一位都有屏蔽寄存器的每一位所对应.

AIR32/STM32 使用 CAN 外设内建的过滤器, 初始化代码为

  CAN_FilterTypeDef canfilterconfig;

  canfilterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;
  canfilterconfig.FilterBank = 18;  // 指定使用哪个过滤器
  canfilterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
  canfilterconfig.FilterIdHigh = 0x103<<5;
  canfilterconfig.FilterIdLow = 0;
  canfilterconfig.FilterMaskIdHigh = 0x103<<5;
  canfilterconfig.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  canfilterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
  canfilterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
  canfilterconfig.SlaveStartFilterBank = 20;  // how many filters to assign to the CAN1 (master can)

  HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &canfilterconfig);

FilterMode 用于设置过滤模式, 在STM32中有两种过滤模式, 这里使用的是掩码模式

  • MASK MODE, 掩码模式, 使用寄存器中设置的掩码对接收到的ID中特定的位进行比较.
  • LIST MODE, 列表模式, 对于接收到的ID, 直接使用寄存器中的ID进行比较.

FilterScale 用于指定是 1)一个32bit的过滤寄存器, 还是 2)两个16bit的过滤寄存器. 这里使用的是一个 32 Bit 寄存器.

FilterIdHigh 用于设置 ID 寄存器的高16 Bits, 这里的值会被用于与输入的ID进行比较. 这里只比较接收到的消息的标准ID, 因此将值左移5位, STD ID 从 ID HIGH Register 的第5位开始.

FilterMaskIdHigh 是掩码寄存器的高16 Bits, 在对接收到的消息的ID进行比较时, 会忽略这个寄存器中bit=0的位, 仅对会对bit=1对应的位, 与ID寄存器中对应的位进行比较.

掩码模式过滤的图例说明

AIR32F103(九) CAN总线的通信和ID过滤机制及实例

上图中, CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 都是32bit寄存器, 用于存储过滤器的 ID 和 Mask 设置, 红色框和绿色框分别对应代码中的 FilterIdHigh + FilterIdLow 和 FilterMaskIdHigh + FilterMaskIdLow.

  1. 这个例子中仅使用标准ID, 不使用扩展ID时, 低5位可以忽略
  2. 设置ID和Mask时, 都要将需要设置的ID值(0x103)左移5位, 因为低5位用于extId
  3. 与接收的ID对比时, 会根据Mask中bit值为1的位, 与ID中的对应bit进行比较, Mask中bit为0的位都会忽略. 这个例子中需要比较的位是0, 1 和 8
  4. 接收到的ID, 与ID寄存器中对应bit的值进行比较, 当这几个bit的值都一致时, ID就是匹配的, 消息就会被接收, 否则会被过滤

根据上面的设置

  • 如果输入的是0x102, 根据Mask设置, 第0,1,8位会用于比较, 而ID的第0位为1, 所以这个输入会被忽略
  • 如果输入的是0x107, 根据Mask设置, 第0,1,8位会用于比较, ID设置的这三位都是1和输入的一致, 所以这个输入会被接收

带扩展ID的例子

根据手册 standard frames with 11-bit identifiers as well as extended frames with 29-bit identifiers, 扩展帧除了原有的 11 bits 标准ID外, 还带 18 bits 的扩展ID. 为什么是29 bits? 因为后面还有3个bit的功能标志位

如果

  • 将 stdId 和 extId 合并为一个29位的 filterId, 其结构为 EXTID[17:0] | STDID[10:0] (从高bit位到低bit位)
  • 将对应的 mask 也合并为一个29位的 filterMask, 其结构为 EXTMASK[17:0] | STDMASK[10:0]

过滤条件的设置代码为

// 取值 STID[10:0] & EXTID[17:13], 因为 CAN_FilterIdHigh 是 16bit, 所以 filterId << 5 的高16bit会被忽略.
filter.CAN_FilterIdHigh = ((filterId << 5)  | (filterId >> (32 - 5))) & 0xFFFF;
// 取值 EXID[12:5] & 3 Reserved bits, 这里同样, filterId 移位后的高16bit会被忽略
filter.CAN_FilterIdLow = (filterId >> (11 - 3)) & 0xFFF8;
// 与上面同理
filter.CAN_FilterMaskIdHigh = ((filterMask << 5)  | (filterMask >> (32 - 5))) & 0xFFFF;
filter.CAN_FilterMaskIdLow = (filterMask >> (11 - 3)) & 0xFFF8;

测试示例

硬件准备

  • TJA1050 或 MCP2551 的 CAN 收发模块 x 2, 可以混合使用, TJA1050 与 MCP2551 可以互相通信
  • 带 AIR32F103 的开发板

因为 TJA1050 和 MCP2551 都是5V供电, 因此开发板上要有5V输出, 否则需要单独供电

示例代码

代码仓库目录 https://github.com/IOsetting/air32f103-template/tree/master/Examples/NonFreeRTOS/CAN

这个目录下包含两个模式的例子, 一个是 Loopback, 一个是 Normal, 从合宙官方仓库的例子参考(抄)的.

Loopback 模式

Loopback 是测试模式, 发送的数据不进入总线直接进入接收队列, 用于检查 MCU 与 CAN 收发器之间通信是否正常, 以及 CAN 收发器是否正常工作. 运行后在串口输入's', 会发送8个字节并将接收到的数据通过串口回显.

Normal 模式

正常的通信模式, 需要两套 MCU + CAN 收发器. CAN 收发器之间通过 CANH 和 CANL 连接. 代码中设置过滤器时, 使用的是相同的 ID 和 Mask 值, 对两个MCU编译烧录时需要将 ID_TARGET 和 ID_RECEIV 的值互换一下.

运行后, 在一侧串口输入's', 在另一侧会通过串口显示接收到的数据.

问题

在测试中, 一开始给 TJA1050 错误使用了 3.3V 电压, 在 Loopback 模式工作正常, 但是在 Normal 模式工作不正常, 只有将两边收发器共地才能正常通信, 如果换成 MCP2551 则完全不能通信.

这些问题在将电压换成 5V 后就正常了.

参考

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