CAN通信的快速上手实战开发--以STM32F103ZET6基础型产品为例（理论+实操举例）

1、了解什么是CAN通信？CAN通信的用途和主要特点？

CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）是一种广泛应用在汽车、工业控制、自动化设备以及其他嵌入式系统中的现场总线标准，由德国博世公司（Bosch）在1983年开发。它是一种用于实时应用的串行通信协议，特别设计用于在各种电子控制单元（ECUs）之间实现可靠的数据交换，这些单元可能分布在车辆、工厂或设备的不同部分。

特点：

多主架构：CAN网络中没有明确的主控设备，任何连接到总线上的节点都可以在适当的时候发起通信，实现了真正的多点对多点通信。

差分信号：CAN总线使用差分信号传输，即两条信号线CAN_High和CAN_Low，提高了抗干扰能力和信号质量。

非破坏性仲裁：当多个节点同时尝试发送数据时，CAN协议通过比较报文的标识符（ID）来进行非破坏性的仲裁，具有更高优先级（ID数值小）的报文获得总线使用权，这保证了关键信息的优先传输。

错误检测与校正：CAN协议内置了多项错误检测机制，如位错误、填充错误、CRC错误、形式错误和应答错误检测，以及错误计数和错误通告帧，有助于维护网络的稳定性和可靠性。

数据帧结构：CAN报文包括标识符（用于优先级排序和报文识别）、数据长度代码（DLC）、数据字段（最多8字节）、远程传输请求位（RTR）和错误检测域（如CRC）等部分。

灵活的数据速率：CAN总线支持不同的数据传输速率，从几kbps到几Mbps（如CAN FD技术可支持高达几兆比特每秒），以适应不同应用场景的需求。

2、CAN通信的工作原理

概括：应用程序通过寄存器设置将数据包组装成符合规范的数据帧格式，将其放入发送邮箱（发送FIFO）内。在邮箱内等待发送（称为挂起状态），直到当前邮箱成为了优先级最高的，该邮箱才会将报文发送至总线上，进行仲裁。接收方接收到该报文的时候，首先会通过过滤器组，报文如果含有符合要求的标识符，那么该数据包将会被接收到接收邮箱里（接受FIFO）。

以下我们按照发送处理、仲裁机制、帧格式、标识符过滤、接收管理的顺序来详细讲解：

(1)发送处理

应用程序选择空置的邮箱（3个发送邮箱），设置标识符、数据长度和待发送数据，置位发送请求为1（此时不能修改邮箱寄存器）此时称为挂起状态，等待发送状态。发送成功以后，在TSR寄存器产生标志位：请求完成和发送成功，表明一次发送成功。

这里对于发送来说，还会有重传、邮箱优先级，中止发送的问题。

重传可以在寄存器中选择是否在发送失败的时候重传。

邮箱优先级可以根据CAN_MCR寄存器的TXFP位选择是根据标识符的优先级还是发送请求的顺序来发送。

(2)仲裁机制

当一条总线上多个结点开始发送报文的时候，需要对发送的先后顺序进行仲裁，不可能允许所有人都在同一时间发送数据，否则势必会造成混乱。（信号处理的基本要求）

这里需要知道对于总线上的电平分为  显性电平(电平 -- 0)和隐性电平(电平 --1)  对于同一条总线，显性电平的级别是高于隐性电平的。（可以理解为 电路中的1碰到0，结果还是0）

在一条总线上如果有2个结点同时想要发送数据，根据前面所述，我们知道一个完整的数据帧里面，会有标识符字段（仲裁段），用以辅助优先级的判断。（优先级数字越小，优先级越高）

仲裁段中的ID是主要的判决标准，主要有标准格式和拓展格式（只是位数不同，因为实际的ID数量要求不一样）

标准格式的 ID 有 11 个位。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）扩展格 式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。

基本 ID 和标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）

仲裁的时候，两个结点发送数据的ID字段部分并不一样。一位一位不断发送的时候，结点1发送隐形电平，结点2也发送隐性电平，则双方无法判断大小；当结点1发送隐性电平，而结点2发送显性电平的时候，这时候结点1显然比较大，那么就退出了发送的优先权仲裁过程。

(3)帧格式

如果你熟悉计算机网络这门课程的话，对于帧格式这一说，可能就会比较熟悉。

主要分为帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC校验段、ACK确认段、帧结束；

RTR：是否是远程帧  SRR同；

IDE：标识符选择位 拓展标识符(1)或者标准标识符(0)

r0、r1保留位：显性电平发送（r1在拓展格式里）

DLC：数据长度，最长8个字节；

至于CRC校验和ACK确认，这里不作赘述，只需了解其功能即可。

以上各位都可以在寄存器内进行调整。

(4)标识符过滤（大家最容易懵逼的地方，我在学习的时候也是很懵逼）

我所使用的是STM32F103ZET6  基础型产品，2个接收邮箱共享14个过滤器组；

可变的位宽：每个过滤器组分为标识符寄存器和屏蔽寄存器，每个寄存器实际上都是32位的，但是可以拆分成两种模式：2个16位和1个32位

过滤模式：屏蔽模式和寄存器列表模式

屏蔽模式：1个标识符寄存器和1个屏蔽位寄存器组合使用 （根据上面，可以是2个寄存器都拆成16位的，两两一组，这样就有两组屏蔽模式的过滤器）

其中屏蔽位寄存器的每一位按照 必须匹配 或 无需关心 两种方式来决定上一个标识符寄存器的位(无需关心 就是对这位没有要求  必须匹配就是得一模一样  概念参考掩码)

标识符列表模式：两个寄存器都作为标识符寄存器 （根据上面，如果你都拆分成两个16位寄存器，那就是有4个16位标识符寄存器，不拆分的话，就是2个32位标识符寄存器）

整个寄存器都作为标识符寄存器，每一位都遵循 必须匹配 的原则，实际匹配的时候只要满足其中一个标识符要求即可；

显然，屏蔽模式通过掩码能过滤出一组符合要求的标识符，标识符寄存器列表模式只能过滤出一个标识符；

以STM32F103ZET6基础型产品为例，过滤器组的两个寄存器分别是CAN_FxR1   和 CAN_FxR2，这里你可能感到疑惑的是：哪个是屏蔽寄存器，哪个是标识符寄存器？

以上这张图很好的展示了在不同的拆分模式下，ID标识符列表寄存器和屏蔽寄存器是如何分配的。

(5)接收管理

1、只有当报文通过了过滤器后才会被接收，否则会被抛弃；

这里有疑惑的地方是报文是按照什么顺序通过过滤器的？

如果过滤器组有优先级配置，那显然是根据优先级；

如果没有，首先是按照匹配标识符，其次是匹配屏蔽模式，相同模式情况下，逐位仲裁，一位一位匹配标识符，首先不符合要求的过滤器将先退出仲裁。

2、以STM基础性产品(与之相对的还有互联型产品，CAN资源更丰富)为例，有2个3级深度的FIFO邮箱（3级深度的意思就是每个邮箱最多可以接收3个报文）

我们以其中一个接收寄存器来看，接收的时候，3级深度的邮箱类似于堆栈，接收的时候需要释放邮箱一次才能访问下一个报文；

3、实战开发

关于CAN的寄存器主要分为3类寄存器：1-CAN控制和状态寄存器、2-CAN邮箱寄存器、3-CAN过滤器寄存器；

需要注意的是，CAN相关的寄存器1和3在进行初始化的时候，需要设置先进入初始化模式

下面根据寄存器名称来举例无中断发送状态情况下配置寄存器 的思路：(发送邮箱有3个，我们用邮箱1)

CAN_MCR:先初始化请求；允许自动重传；允许接收溢出；发送优先级根据标识符的优先级来；

CAN_MSR：确认进入初始化模式；CAN模式调整为发送模式；

CAN_TI1R：使用标准标识符、数据帧模式；

CAN_TDT1R:不发送时间戳、发送数据长度为4个字节；

CAN_TDL1R：发送的数据字节低4个字节，填写数据；

CAN_TI1R：请求发送数据；

CAN_TSR（发送状态寄存器，还没发送当然没状态产生）等待发送状态产生，用来确认发送成功；

下面根据寄存器名称举例无中断接收状态下配置寄存器的思路：(接收邮箱有2个，每个可以收3个报文，读取的时候需要读一次释放一次)

CAN_MCR:初始化请求；

CAN_MSR：确认进入初始化模式；CAN模式调整为接收模式；

CAN_RL1R：接收邮箱使用标准标识符、无时间戳；

CAN_RD1R：接收邮箱的接收数据长度位3个字节；

CAN_FMR：过滤器初始化模式；

CAN_FM1R：设置过滤器组0、1、2工作在屏蔽位模式；

CAN_FS1R：过滤器调整为2个16位； （这时候每个32位寄存器单独成16位标识符标识符寄存器和16位屏蔽寄存器）

CAN_FFA1R：将过滤器组关联至FIFO1；

CAN_FiRX:调整过滤器的显性隐性要求，注意这里分屏蔽位和标识符位；（根据上面要求；i=0、1、2,x = 1、2）

CAN_RF1R：查看接收报文树木，选择是否要多次读取。有多个报文或者报文溢出的话，读取需要释放邮箱；

4、总结和个人想法

类似于这种通信其实本质上都是计算机网络这门科目的拓展，其他全靠你会看芯片手册和实操经验；非常推荐各位自学，而不是等待企业的项目经验，能力的提升或许不是一蹴而就，但是一定是日积月累的，以后有机会还会继续更新一些常见接口和嵌入式系统的使用情况，谢谢关注！