STM32 CAN 控制器 詳解

CAN  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(duì)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(duì)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(gè) 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。  

現(xiàn)在，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(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面�，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 

CAN  控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平。總線電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。

STM32 自帶的是 bxCAN，即基本擴(kuò)展 CAN。它支持 CAN 協(xié)議 2.0A 和 2.0B。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，以最小的 CPU 負(fù)荷來高效處理大量收到的報(bào)文。它也支持報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)要求(優(yōu)先級(jí)特性可軟件配置)。對(duì)于安全緊要的應(yīng)用，bxCAN 提供所有支持時(shí)間觸發(fā)通信模式所需的硬件功能。

STM32 的 bxCAN 的主要特點(diǎn)有：

l 支持 CAN 協(xié)議 2.0A 和 2.0B 主動(dòng)模式

l 波特率最高達(dá) 1Mbps

l 支持時(shí)間觸發(fā)通信

l 具有 3 個(gè)發(fā)送郵箱

l 具有 3 級(jí)深度的 2 個(gè)接收 FIFO

l 可變的過濾器組（最多 28 個(gè)）

在 STM32 互聯(lián)型產(chǎn)品中，帶有 2 個(gè) CAN 控制器，而 STM32F103ZET6 屬于增強(qiáng)型，不是互聯(lián)型，只有 1 個(gè) CAN 控制器

STM32 的標(biāo)識(shí)符過濾是一個(gè)比較復(fù)雜的東東，它的存在減少了 CPU 處理 CAN 通信的開銷。STM32 的過濾器組最多有 28 個(gè)（互聯(lián)型），但是 STM32F103ZET6 只有 14 個(gè)（增強(qiáng)型），每個(gè)濾波器組 x 由 2 個(gè) 32 為寄存器，CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 組成。

STM32 每個(gè)過濾器組的位寬都可以獨(dú)立配置，以滿足應(yīng)用程序的不同需求。根據(jù)位寬的不同，每個(gè)過濾器組可提供：

CAN 的初始化配置步驟,CAN 相關(guān)的固件庫函數(shù)和定義分布在文件 stm32f10x_can.c 和頭文件 stm32f10x_can.h 文件中。

1）配置相關(guān)引腳的復(fù)用功能，使能 CAN 時(shí)鐘。

我們要用 CAN，第一步就要使能 CAN 的時(shí)鐘。其次要設(shè)置 CAN 的相關(guān)引腳為復(fù)用輸出，這里我們需要設(shè)置 PA11 為上拉輸入（CAN_RX 引腳）PA12 為復(fù)用輸出（CAN_TX 引腳），并使能 PA 口的時(shí)鐘。使能 CAN1 時(shí)鐘的函數(shù)是：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);//使能 CAN1 時(shí)鐘

2）設(shè)置 CAN 工作模式及波特率等。

這一步通過先設(shè)置 CAN_MCR 寄存器的 INRQ 位，讓 CAN 進(jìn)入初始化模式，然后設(shè)置CAN_MCR 的其他相關(guān)控制位。再通過 CAN_BTR 設(shè)置波特率和工作模式（正常模式/環(huán)回模式）等信息。  最后設(shè)置 INRQ 為 0，退出初始化模式。

在庫函數(shù)中，提供了函數(shù) CAN_Init()用來初始化 CAN 的工作模式以及波特率，CAN_Init()函數(shù)體中，在初始化之前，會(huì)設(shè)置 CAN_MCR 寄存器的 INRQ 為 1 讓其進(jìn)入初始化模式，然后初始化 CAN_MCR 寄存器和 CRN_BTR 寄存器之后，會(huì)設(shè)置 CAN_MCR 寄存器的 INRQ 為 0讓其退出初始化模式。所以我們?cè)谡{(diào)用這個(gè)函數(shù)的前后不需要再進(jìn)行初始化模式設(shè)置。下面我們來看看 CAN_Init()函數(shù)的定義：

uint8_t CAN_Init(CAN_TypeDef* CANx, CAN_InitTypeDef* CAN_InitStruct)；

第一個(gè)參數(shù)就是 CAN 標(biāo)號(hào)，這里我們的芯片只有一個(gè) CAN，所以就是 CAN1。

第二個(gè)參數(shù)是 CAN 初始化結(jié)構(gòu)體指針，結(jié)構(gòu)體類型是 CAN_InitTypeDef，下面我們來看看這個(gè)結(jié)構(gòu)體的定義：

typedef struct

{

uint16_t CAN_Prescaler;  

uint8_t CAN_Mode;     

uint8_t CAN_SJW;      

uint8_t CAN_BS1;         

uint8_t CAN_BS2;       

FunctionalState CAN_TTCM; 

FunctionalState CAN_ABOM;  

FunctionalState CAN_AWUM;  

FunctionalState CAN_NART; 

FunctionalState CAN_RFLM; 

FunctionalState CAN_TXFP;  

} CAN_InitTypeDef;

這個(gè)結(jié)構(gòu)體看起來成員變量比較多，實(shí)際上參數(shù)可以分為兩類。前面 5 個(gè)參數(shù)是用來設(shè)置寄存器 CAN_BTR，用來設(shè)置模式以及波特率相關(guān)的參數(shù)，設(shè)置模式的參數(shù)是CAN_Mode， 我們實(shí)驗(yàn)中用到回環(huán)模式 CAN_Mode_LoopBack 和常規(guī)模式 CAN_Mode_Normal，大家還可以選擇靜默模式以及靜默回環(huán)模式測(cè)試。其他設(shè)置波特率相關(guān)的參數(shù) CAN_Prescaler，CAN_SJW，CAN_BS1 和 CAN_BS2 分別用來設(shè)置波特率分頻器，重新同步跳躍寬度以及時(shí)間段 1 和時(shí)間段 2 占用的時(shí)間單元數(shù)。后面 6 個(gè)成員變量用來設(shè)置寄存器 CAN_MCR，也就是設(shè)置 CAN 通信相關(guān)的控制位。

初始化實(shí)例為：

CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;      //非時(shí)間觸發(fā)通信模式 

CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;      //軟件自動(dòng)離線管理   

CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;          //睡眠模式通過軟件喚醒

CAN_InitStructure.CAN_NART=ENABLE;    //禁止報(bào)文自動(dòng)傳送 

CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;      //報(bào)文不鎖定,新的覆蓋舊的 

CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;      //優(yōu)先級(jí)由報(bào)文標(biāo)識(shí)符決定 

CAN_InitStructure.CAN_Mode= CAN_Mode_LoopBack; //模式設(shè)置：  1,回環(huán)模式;

//設(shè)置波特率

CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;//重新同步跳躍寬度為個(gè)時(shí)間單位 

CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq; //時(shí)間段 1 占用 8 個(gè)時(shí)間單位

CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_7tq;//時(shí)間段 2 占用 7 個(gè)時(shí)間單位

CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=5;   //分頻系數(shù)(Fdiv) 

CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);             //  初始化 CAN

3）設(shè)置濾波器。

我們將使用濾波器組 0，并工作在 32 位標(biāo)識(shí)符屏蔽位模式下。先設(shè)置 CAN_FMR的 FINIT 位，讓過濾器組工作在初始化模式下，然后設(shè)置濾波器組 0 的工作模式以及標(biāo)識(shí)符 ID和屏蔽位。最后激活濾波器，并退出濾波器初始化模式。

在庫函數(shù)中，提供了函數(shù) CAN_FilterInit ()用來初始化 CAN 的濾波器相關(guān)參數(shù)， CAN_Init()函數(shù)體中，在初始化之前，會(huì)設(shè)置 CAN_FMR 寄存器的 INRQ 為 INIT 讓其進(jìn)入初始化模式，然后初始化 CAN 濾波器相關(guān)的寄存器之后，會(huì)設(shè)置 CAN_FMR 寄存器的 FINIT 為 0 讓其退出初始化模式。所以我們?cè)谡{(diào)用這個(gè)函數(shù)的前后不需要再進(jìn)行初始化模式設(shè)置。下面我們來看看CAN_FilterInit ()函數(shù)的定義：

void CAN_FilterInit(CAN_FilterInitTypeDef* CAN_FilterInitStruct)；

這 個(gè) 函 數(shù) 只 有 一 個(gè) 入 口 參 數(shù) 就 是 CAN 濾 波 器 初 始 化 結(jié) 構(gòu) 體 指 針 ， 結(jié) 構(gòu) 體 類 型 為CAN_FilterInitTypeDef，下面我們看看類型定義：

typedef struct

{

uint16_t CAN_FilterIdHigh; 

uint16_t CAN_FilterIdLow;   

uint16_t CAN_FilterMaskIdHigh; 

uint16_t CAN_FilterMaskIdLow; 

uint16_t CAN_FilterFIFOAssignment; 

uint8_t CAN_FilterNumber;     

uint8_t CAN_FilterMode;     

uint8_t CAN_FilterScale;        

FunctionalState CAN_FilterActivation; 

} CAN_FilterInitTypeDef;

結(jié)構(gòu)體一共有 9 個(gè)成員變量，第 1 個(gè)至第 4 個(gè)是用來設(shè)置過濾器的 32 位 id 以及 32 位 mask id，分別通過 2 個(gè) 16 位來組合的

第 5 個(gè)成員變量 CAN_FilterFIFOAssignment 用來設(shè)置 FIFO 和過濾器的關(guān)聯(lián)關(guān)系，我們的實(shí)驗(yàn)是關(guān)聯(lián)的過濾器 0 到 FIFO0，值為 CAN_Filter_FIFO0。

第 6 個(gè)成員變量 CAN_FilterNumber 用來設(shè)置初始化的過濾器組，取值范圍為 0~13。

第 7 個(gè)成員變量 FilterMode 用來設(shè)置過濾器組的模式，取值為標(biāo)識(shí)符列表模式CAN_FilterMode_IdList 和標(biāo)識(shí)符屏蔽位模式 CAN_FilterMode_IdMask。

第 8 個(gè)成員變量 FilterScale 用來設(shè)置過濾器的位寬為 2 個(gè) 16 位 CAN_FilterScale_16bit 還是 1 個(gè)32 位 CAN_FilterScale_32bit。

第 9 個(gè)成員變量 CAN_FilterActivation 就很明了了，用來激活該過濾器。

過濾器初始化參考實(shí)例代碼：

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;    //過濾器 0

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask; 

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit; //32 位 

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x0000;////32 位 ID

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0x0000;

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x0000;//32 位 MASK

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0x0000;

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_Filter_FIFO0;// FIFO0

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE; //激活過濾器 0

CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);//濾波器初始化

至此，CAN 就可以開始正常工作了。如果用到中斷，就還需要進(jìn)行中斷相關(guān)的配置

4）發(fā)送接受消息

在初始化 CAN 相關(guān)參數(shù)以及過濾器之后，接下來就是發(fā)送和接收消息了。庫函數(shù)中提供了發(fā)送和接受消息的函數(shù)。發(fā)送消息的函數(shù)是：

uint8_t CAN_Transmit(CAN_TypeDef* CANx, CanTxMsg* TxMessage)；

這個(gè)函數(shù)比較好理解，第一個(gè)參數(shù)是 CAN 標(biāo)號(hào)，我們使用 CAN1。第二個(gè)參數(shù)是相關(guān)消息結(jié)構(gòu)體 CanTxMsg 指針類型，CanTxMsg 結(jié)構(gòu)體的成員變量用來設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展標(biāo)示符，消息類型和消息幀長(zhǎng)度等信息。

接受消息的函數(shù)是：

void CAN_Receive(CAN_TypeDef* CANx, uint8_t FIFONumber, CanRxMsg* RxMessage)；

前面兩個(gè)參數(shù)也比較好理解，CAN 標(biāo)號(hào)和 FIFO 號(hào)。第二個(gè)參數(shù) RxMessage 是用來存放接受到的消息信息。

結(jié)構(gòu)體 CanRxMsg 和結(jié)構(gòu)體 CanTxMsg 比較接近，分別用來定義發(fā)送消息和描述接受消息，

5）CAN 狀態(tài)獲取

對(duì)于 CAN 發(fā)送消息的狀態(tài)，掛起消息數(shù)目等等之類的傳輸狀態(tài)信息，庫函數(shù)提供了一些列的函數(shù)，包括 CAN_TransmitStatus()函數(shù)，CAN_MessagePending()函數(shù)，CAN_GetFlagStatus()函數(shù)等等，大家可以根據(jù)需要來調(diào)用。