代码收藏家技术教程 2023-10-12

CAN协议详解及常见问题汇总

文章分两部分，一是CAN的详解，二是常见问题汇总；文章长，但是都是重点精华，往有帮助~

（参考的是火哥的STM32有关CAN协议的文档）

一、CAN的详解

1. 物理层

CAN总线：成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。

CAN是异步通讯，只有CAN_High和CAN_Low两条信号线，且这两条信号线是差分信号线，以差分信号的形式通讯；

CAN是半双工的，在同一时刻，一个通讯节点发送消息，其他节点只能接收消息；

CAN物理层的形式分为闭环总线和开环总线，闭环总线是高速短距离的，长度最长40m，通信速度最高10Mbps；开环总线是低速远距离的，长度最长1km，通信速度最高125kbps。开环闭环的区别在于差分信号线是不是连在一起的。

CAN总线可以挂载多个节点：

差分信号：两根信号线的幅度相同，相位相反，通过电压差代表电平1和0；差分信号优点：抗干扰能力强，因为有外界噪声干扰时，会同时耦合到这两条信号线上，由于接收端只关心信号的差值，因此噪声可以抵消。

逻辑电平为1是隐性电平，CAN_High和CAN_Low电压都是2.5v，压差为0；逻辑电平为0显性电平，CAN_High电压3.5v和CAN_Low电压1.5v，压差2v。

2. 协议层

CAN中，每个数据位又分为多个段，包括：SS、PTS、PBS1、PBS2；一个数据位由8~25个Tq表示，这个段的作用是保证让该节点与总线的时序同步，确保通讯正常；

通讯波特率由Tq的时间长度，以及每位有多少个Tq决定：

CAN协议是如何通讯的？对数据、操作命令(如读/写)以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。具体：在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选(识别)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，这样的报文就被称为 CAN 的“数据帧”。

CAN有5种数据帧，每种数据帧的用途不一样：

具体介绍数据帧：数据帧以一个显性位(逻辑 0)开始，以 7 个连续的隐性位(逻辑 1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、 CRC 段和 ACK 段。

帧起始，以显性电平开始，用于通知各个节点将有数据传输；

仲裁段：通过仲裁ID来决定优先级，优先级高的ID先把数据发出去，利用隐性和显性电平作为仲裁，谁先出现隐性电平，谁就先失去对总线的占有权。标准格式ID是11位，扩展格式ID为29位。

控制段中的DLC段，表示报文数据段有多少个字节。

数据段有0到8个字节组成。

CRC段是校验位，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。

ACK段是应答段，发送节点发送的是隐性位，而接收节点则发送显性位以示应答。

帧结束，由7个隐性位表示结束。

3. STM32有关CAN的配置

CAN 控制内核包含了各种控制寄存器及状态寄存器，如主控制寄存器 CAN_MCR 及位时序寄存器 CAN_BTR。

主控制寄存器 CAN_MCR 负责管理 CAN 的工作模式，如自动唤醒、自动离线；

位时序寄存器 CAN_BTR 用于配置测试模式、波特率以及各种位内的段参数；

①测试模式包括：正常模式、静默模式、回环模式及静默回环模式；

正常模式下就是一个正常的 CAN 节点，可以向总线发送数据和接收数据。
静默模式只可向总线发送数据1，不能发送数据0，可从总线接收数据，用于监测，它可以用于分析总线上的流量；
回环模式，输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容。使用回环模式可以进行自检；
回环静默模式，输入端只接收自己发送端的内容，不接收来自总线上的内容，用于自检；

②位时序：

STM32 的 CAN 外设位时序中只包含 3 段，分别是同步段 SYNC_SEG、位段 BS1 及位段 BS2，采样点位于 BS1 及 BS2 段的交界处；这个位时序对应了CAN一个数据位的不同段，即N*Tq=一个数据位；

③计算波特率：

一个数据位的Tq是等于同步段、BS1和BS2段这三个段Tq的总和，CAN1和CAN2挂载在APB1上，位时序寄存器可以分频时钟，Tq=分频数/36MHz，CAN的波特率=1/N*Tq。

二、STM32对CAN的发送邮箱

3个发送邮箱，最多可以缓存 3 个待发送的报文；

当我们要使用 CAN 外设发送报文时，把报文的各个段分解，按位置写入到这些寄存器中；

三、STM32对CAN的接收邮箱FIFO：它一共有 2 个接收 FIFO，每个 FIFO 中有 3 个邮箱，即最多可以缓存 6 个接收到的报文；

通过中断或状态寄存器知道接收 FIFO 有数据后，我们再读取这些寄存器的值即可把接收到的报文加载到 STM32 的内存中。

接收报文时，通过检测标志位获知接收 FIFO 的状态，若收到报文，可调用库函数CAN_Receive 把接收 FIFO 中的内容读取到预先定义的接收类型结构体中，然后再访问该结构体即可利用报文了。

四、验收筛选器：有 14个筛选器组，每个筛选器组有 2 个寄存器。

发送节点将报文广播给所有接收器时，接收节点会根据报文标识符的值来确定软件是否需要该消息，为了简化软件的工作， STM32 的 CAN 外设接收报文前会先使用验收筛选器检查，只接收需要的报文到 FIFO 中；

筛选器工作的时候，可以调整筛选 ID 的长度及过滤模式

(1) 标识符列表模式，它把要接收报文的 ID 列成一个表，要求报文 ID 与列表中的某一个标识符完全相同才可以接收，可以理解为白名单管理。

(2) 掩码模式，它把可接收报文 ID 的某几位作为列表，这几位被称为掩码，可以把它理解成关键字搜索，只要掩码(关键字)相同，就符合要求，报文就会被保存到接收 FIFO。

4. STM32软件编程

（1）配置GPIO，开时钟，设定好对应的引脚，对应到TX和RX；

TX推挽输出、RX浮空输入，引脚复用功能重映射。

（2）配置CAN初始化结构体，即配置工作模式，先开时钟；

（3）配置筛选器

（4）配置发送报文：包括使用扩展还是标准的ID，选择扩展还是标准模式，发送是数据还是其他内容，设置数据的长度，设置将要发送的数据：

（5）在中断中接收报文，因此要分为以下两个步骤

配置NVIC结构体，设置好优先级，包括优先级组、抢占优先级、子优先级；
在中断服务函数中，接收报文时，通过检测标志位获知接收 FIFO 的状态，若收到报文，可调用库函数CAN_Receive 把接收 FIFO 中的内容读取到预先定义的接收类型结构体中，然后再访问该结构体即可利用报文了。（注意：必须要在中断内调用 CAN_Receive 函数读取接收FIFO 的内容，因为只有这样才能清除该 FIFO 的接收中断标志，如果不在中断内调用它清除标志的话，一旦接收到报文， STM32 会不断进入中断服务函数，导致程序卡死）

二、CAN的常见问题

1、Can总线有什么了解？可以从物理层、协议层再到STM32对CAN三个方面去介绍。

2、仲裁机制？以ID来区别优先级，若有两个节点同时发送数据，那么由于是半双工，在一个时间只能一个节点发送数据，那么就要比较这两个节点的ID，谁的ID先出现隐性电平，即高电平，谁就失去了对CAN发送数据的控制权。

3、can总线，波特率？（与Tq的大小，即与时钟大小有关；一个数据位包括的Tq的个数有关）帧？（了解到的是数据帧，包括起始帧、仲裁帧、控制帧、数据帧、校验帧、应答帧、结束帧）报文？（具体：在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选(识别)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，这样的报文就被称为 CAN 的“数据帧”）

4、can的传输距离，分为开环和闭环，闭环是高速近距离：10Mbps传输40m，开环是低速远距离：125kbps传输1km。

5、CAN初始化配置步骤?看软件编程那里

6、CAN发送数据格式?

总结就是：包括使用扩展还是标准的ID，选择扩展还是标准模式，发送是数据还是其他东西，设置数据的长度，设置将要发送的数据。

7、CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。

8、CAN总线原理：CAN总线以广播的方式从一个节点向另一个节点发送数据，当一个节点发送数据时，该节点的CPU把将要发送的数据和标识符发送给本节点的CAN芯片，并使其进入准备状态;一旦该CAN芯片收到总线分配，就变为发送报文状态，该CAN芯片将要发送的数据组成规定的报文格式发出。此时，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点都要先对其进行接收，通过检测来判断该报文是否是发给自己的。