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  1.1CAN簡介

CAN芯片是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN)，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

  1.2 CAN 物理層

  CAN與 I2C、SPI 等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN 通訊并不是以時鐘信號來進(jìn)行同步的，它是一種異步通訊，只具有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條信號線，共同構(gòu)成一組差分信號線，以差分信號的形式進(jìn)行通訊。我們來看一個示意圖

  1.3電氣參數(shù)

  a)參考通信距離及傳輸速度

  通信距離(米)波特率

  251M

  70500K

  280125K

  350100K

  45080K

  70050K

  200018K

  30009K

  b)CAN總線上的節(jié)點數(shù)可達(dá)110個。

  c)總線狀態(tài)

  總線狀態(tài) 總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態(tài)，“顯性”對應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”。

  差分信號又稱差模信號，與傳統(tǒng)使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示。

  (1)顯性(dominant): ----邏輯0

  CANH----高電平 --------------3.0-4.25V ----典型值3.6V

  CANL----低電平 ---------------0.5-1.75V ----典型值1.4V

  Vdiff---------------------------------------------------------2.25V

  (2)隱性(recessive): ----邏輯1

  CANH----高電平 ----0.5VCC(2.0-3.0V) ----典型值2.5V

  CANL----低電平 ----0.5VCC(2.0-3.0V) ----典型值2.5V

Vdiff-------------------------------------------------------------0V

  1.4CAN 協(xié)議層

  1.4.1 CAN 的波特率及位同步

  由于 CAN 屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點會像串口異步通訊那樣，節(jié)點間使用約定好的波特率進(jìn)行通訊。

  1.4.2 位時序分解

  位時序邏輯將監(jiān)視串行總線，執(zhí)行采樣并調(diào)整采樣點，在調(diào)整采樣點時，需要在起始位邊沿進(jìn)行同步并后續(xù)的邊沿進(jìn)行再同步。通過將標(biāo)稱位時間劃分為以下三段，即可解釋其工作過程：

  同步段 (SYNC_SEG)：位變化應(yīng)該在此時間段內(nèi)發(fā)生。它只有一個時間片的固定長度 (1 x tCAN)。

  位段 1 (BS1)：定義采樣點的位置。它包括 CAN 標(biāo)準(zhǔn)的 PROP_SEG 和 PHASE_SEG1。其持續(xù)長度可以在 1 到 16 個時間片之間調(diào)整，但也可以自動加長，以補(bǔ)償不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的頻率差異所導(dǎo)致的正相位漂移。

  位段 2 (BS2)：定義發(fā)送點的位置。它代表 CAN 標(biāo)準(zhǔn)的 PHASE_SEG2。其持續(xù)長度可以在 1 到 8 個時間片之間調(diào)整。

  再同步跳轉(zhuǎn)寬度 (SJW) 定義位段加長或縮短的上限。它可以在 1 到 4 個時間片之間調(diào)整。

  如果在 BS1 而不是 SYNC_SEG 中檢測到有效邊沿，則 BS1 會延長最多 SJW， 以便延遲采樣點。

  相反地，如果在 BS2 而不是 SYNC_SEG 中檢測到有效邊沿，則 BS2 會縮短最多 SJW， 以便提前發(fā)送點。

  例子：

  假如要配置波特率為100k，所用單片機(jī)的APB時鐘為42MHz，則：

  NominalBitTime：1/100000s即10us

  t(PCLK)：1/42000000S,即1/42us.

  此時只需((TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)+1)* (BRP[9:0] + 1) =420

  我們可令t(q)=1us，即(BRP[9:0] + 1)=42，，則

  TS1[3:0] + TS2[2:0] =7

  1.4.3 CAN 的報文種類及結(jié)構(gòu)

  為了更有效地控制通訊，CAN 一共規(guī)定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如表

  1.5 STM32中的CAN框架

  STM32 的芯片中具有 bxCAN 控制器 (Basic Extended CAN)，它支持 CAN 協(xié)議 2.0A 和 2.0B 標(biāo)準(zhǔn)。該 CAN 控制器支持最高的通訊速率為 1Mb/s;可以自動地接收和發(fā)送 CAN 報文，支持使用標(biāo)準(zhǔn)ID 和擴(kuò)展 ID 的報文;外設(shè)中具有 3 個發(fā)送郵箱，發(fā)送報文的優(yōu)先級可以使用軟件控制，還可以記錄發(fā)送的時間;具有 2 個 3 級深度的接收 FIFO，可使用過濾功能只接收或不接收某些 ID 號的報文;可配置成自動重發(fā);不支持使用 DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。框架示意圖如下：

  STM32 的有兩組 CAN 控制器，其中 CAN1 是主設(shè)備，框圖中的“存儲訪問控制器”是由 CAN1控制的，CAN2 無法直接訪問存儲區(qū)域，所以使用 CAN2 的時候必須使能 CAN1 外設(shè)的時鐘?？驁D中主要包含 CAN 控制內(nèi)核、發(fā)送郵箱、接收 FIFO 以及驗收篩選器。

  bxCAN 工作模式

  bxCAN 有三種主要的工作模式： 初始化、 正常和睡眠。

  a)初始化模式

  當(dāng)硬件處于初始化模式時，可以進(jìn)行軟件初始化。篩選器的初始化可以在初始化模式之外進(jìn)行。

  b)正常模式

  一旦初始化完成，軟件必須向硬件請求進(jìn)入正常模式，這樣才能在 CAN 總線上進(jìn)行同步，并開始接收和發(fā)送。篩選器尺度和模式配置必須在進(jìn)入正常模式之前完成。

  c)睡眠模式(低功耗)

  為降低能耗功耗， bxCAN 具有低功耗模式，稱為睡眠模式。