AIR32F103(九) CAN总线的通信和ID过滤机制及实例

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.

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 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

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.

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 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

用C语言描述的CAN帧整体结构为

帧头的结构和帧数据

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.

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

BS2段时间

整个数据位的时间

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

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

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

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

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 是测试模式, 发送的数据直接进入接收队列, 这个模式不需要CAN模块也能运行. 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.

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. 如果希望接收所有(不过滤), 可以将 Mask ID 设为 0.

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.

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.

TJA1050 是 SOP8 封装, 但是与常见的 SOP8 封装不同的是没有圆点, 在手册第14页有特意说明, Pin 1 对应的是有斜面的那个边.

这个型号可能有不少厂家生产, 市面上有带圆点的也有不带圆点的, 不同来源的 TJA1050, Pin 间电阻差异很大. 有些 VCC 和 GND 之间电阻只有9K, 有些是1.2M, 而 RX TX 之间的电阻有些上M, 有些只有14K, 但是在同样的电路上, 都能正常工作.

CANH 和 CANL 之间串接的 120R 电阻, 换成 200R 也没问题.

SL 不能浮空, 需要接地才能正常通信.