CAN 匯流排

CAN是 Controller Area Network 的簡稱, 最初由BOSCH公司開發, 後來成為國際標準(ISO 11898), 是當前應用最廣泛的現場匯流排之一, 是汽車控制系統和嵌入式工業控制區域網事實上的標準.

CAN 匯流排的物理連線

相對於近距離傳輸的I2C, SPI協定, 以及RS485匯流排, CAN 匯流排定義了更先進的物理層和鏈路層, 以及種類豐富的上層協定. 與I2C, SPI等基於時鐘訊號同步的通訊方式不同, CAN通訊不使用時鐘訊號進行同步, 它是一種非同步通訊, 只有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條訊號線, 共同構成一組差分訊號線, 以差分訊號的形式進行通訊.

CAN 物理層主要分為閉環匯流排及開環匯流排網路兩種形式, 一個適合於高速通訊, 一個適合於遠距離通訊.

CAN閉環通訊網路是一種遵循 ISO11898 標準的高速, 短距離網路, 匯流排最大長度為40m, 通訊速度最高為1Mbps, 匯流排的兩端各要求有一個120歐的電阻做阻抗匹配, 減少回波反射.
CAN開環匯流排網路是遵循 ISO11519-2 標準的低速, 遠距離網路, 最大傳輸距離為1km, 最高通訊速率為125kbps, 兩根匯流排互相獨立, 不形成閉環, 要求每根匯流排上各串聯有一個 2.2KR 的電阻.

關於共地

CAN 在多個收發器之間的連線, 可以不共地, 只需要 CANH 和 CANL 兩線連線.

CAN 匯流排的通訊機制

CAN匯流排上可以掛載多個通訊節點, 節點之間的訊號經過匯流排傳輸, 實現節點間通訊. CAN通訊協定不對節點進行地址編碼, 而是對資料內容進行編碼, 所以網路中的節點個數理論上不受限制, 只要匯流排的負載足夠即可, 可以通過中繼器增強負載.

CAN通訊節點由一個CAN控制器及CAN收發器組成, 控制器與收發器之間通過 CAN_Tx及 CAN_Rx 訊號線相連, 收發器與CAN匯流排之間使用 CAN_High 及 CAN_Low 訊號線相連. 其中 CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的類似TTL邏輯訊號, 而 CAN_High 及 CAN_Low 是一對差分訊號線, 當CAN節點需要傳送資料時, 控制器把要傳送的二進位制編碼通過 CAN_Tx 線傳送到收發器, 然後由收發器把這個普通的邏輯電平訊號轉化成差分訊號, 通過差分線 CAN_High 和 CAN_Low 輸出到CAN匯流排網路. 收發器接收匯流排上的資料時則是相反的過程, 收發器把匯流排上收到的 CAN_High 及 CAN_Low 訊號轉化成普通的邏輯電平訊號, 再通過 CAN_Rx 輸出到控制器中.

差分訊號

差分訊號又稱差模訊號, 與傳統使用單根訊號線電壓表示邏輯的方式有區別, 使用差分訊號傳輸時, 需要兩根訊號線, 這兩個訊號線的振幅相等, 相位相反, 通過兩根訊號線的電壓差值來表示邏輯0和邏輯1. 相對於單訊號線傳輸的方式, 使用差分訊號傳輸具有如下優點

抗干擾能力強, 當外界存在噪聲干擾時, 幾乎會同時耦合到兩條訊號線上, 而差分訊號只關心兩個訊號的差值, 所以外界的共模噪聲可以被抑制
能有效抑制它對外部的電磁干擾, 由於兩根訊號的極性相反, 對外輻射的電磁場可以相互抵消, 耦合的越緊密, 洩放到外界的電磁能量越少
時序定位精確, 由於差分訊號的開關變化是位於兩個訊號的交點, 而不像普通單端訊號依靠高低兩個閾值電壓判斷, 因而受工藝, 溫度的影響小, 能降低時序上的誤差, 同時也更適合於低幅度訊號的電路

由於差分訊號的這些優點, 在USB協定, 485協定, 乙太網協定及CAN協定的物理層中, 都使用了差分訊號傳輸.

CAN協定中的差分訊號

CAN協定中對它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分訊號做了規定. 以高速CAN協定為例, 當表示邏輯1時(隱性電平), CAN_High 和 CAN_Low 線上的電壓均為2.5V, 即它們的電壓差為 0, 而表示邏輯0時(顯性電平), CAN_High的電平為 3.5V, CAN_Low線的電平為1.5V, 電壓差為 2V.

CAN 匯流排的特點

CAN 匯流排網路是一種多主網路, 在匯流排處於空閒狀態時, 任何一個節點單元都可以申請成為主機, 向匯流排傳送訊息. 其原則是: 最先存取匯流排的節點單元可以獲得匯流排的控制權, 多個節點單元同時嘗試獲取匯流排的控制權時, 將發生仲裁事件, 具有高優先順序的節點單元將獲得匯流排控制權.

CAN 協定中, 所有的訊息都以固定的資料格式打包傳送. 兩個以上的節點單元同時傳送資訊時, 根據節點識別符號(常稱為 ID, 打包在固定的資料格式中)決定各自優先順序關係, CAN 匯流排沒有其他匯流排的地址概念, 在匯流排上增加節點單元時, 連線在匯流排的其他節點單元的軟硬體都不需要改變.

CAN 匯流排的通訊速率和匯流排長度有關, 在匯流排長度小於 40m 的場合中, 資料傳輸速率可以達到 1Mbps, 而即便匯流排長度上升至 1000m, 資料的傳輸速率仍可達到 50Kbps, 無論在速率還是傳輸距離都明顯優於常見的 RS232, RS485 和 I2C 匯流排.

對於匯流排錯誤, CAN 匯流排有錯誤檢測功能, 錯誤通知功能, 錯誤恢復功能三種應對措施, CAN 匯流排上的每個節點都可以通過判斷得出, 當前匯流排上的錯誤是暫時錯誤(如瞬間的強幹擾)還是持續錯誤(如匯流排斷裂). 當匯流排上發生持續錯誤時, 引起故障的節點單元會自動脫離匯流排.

CAN 匯流排上的節點數量在理論上沒有上限, 但在實際上收到匯流排上的時間延時及電氣負載的限制. 降低最大通訊速率可以增加節點單元的連線數, 反之減少節點單元的連線數則最大通訊速率可以提高.

CAN 匯流排通訊

CAN 資料位傳輸時間

為了實現位同步, CAN協定把每一個資料位(bit)的時序分解成SS段, PTS段, PBS1段, PBS2段, 這四段的長度加起來即為一個CAN資料位的長度.

CAN傳輸的最小的時間單位是Tq(即CAN外設的時鐘週期), 一個完整的位由8~25個Tq組成.

CAN 的資料框

CAN 匯流排的資料通訊是以資料框的格式進行的, 瞭解CAN的資料框, 可以幫助瞭解CAN的過濾機制. 下面是一個完整的CAN資料框的結構

SOF 應該是 start of frame, 一個bit位拉低匯流排用於開始傳輸
Identifier 就是資料的 ID, 11個bit
RTR (Remote Transmission Request) 用於宣告這是一個資料框還是一個遠端幀
IDE 用於宣告使用的標準ID還是擴充套件ID
r 是一個保留 bit
DLC 用於宣告後面攜帶的資料位元組數量
Data Field 包含的是傳送的資料, 最多不超過8個位元組
Checksum 和 DEL 是校驗碼和對應的分隔符
ACK 和 DEL 是響應位和對應的分隔符

CAN 資料框對應的程式碼

用C語言描述的CAN幀整體結構為

CAN_TxHeaderTypeDef   TxHeader;
uint8_t               TxData[8];
uint32_t              TxMailbox;

TxHeader 用於儲存頭資訊, 包含了 RTR, DLC 等, 在SPL中對應的型別為 CAN_TxHeaderTypeDef
TxData 用於儲存傳輸的資料
TxMailbox 用於傳送此訊息的 mailbox

幀頭的結構和幀資料

TxHeader.StdId = 0x446;
TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;  // Remote or data frame
TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;    // Standard or extended
// reserved bit
TxHeader.DLC = 2;             // Data length in bytes

CAN_ID_STD 表示使用了標準ID模式(非擴充套件ID)
0x446 就是傳送的ID, 位寬最大為 11-bit
CAN_RTR_DATA 表示這個幀為資料框
DLC 標識後面資料的位元組長度, 因為傳送兩個位元組, 所以這裡是2
隨後在 TxData 中儲存兩個位元組

TxData[0] = 50;  
TxData[1] = 0xAA;

AIR32F103 / STM32 的 CAN 外設

以下的描述適用於AIR32F103和STM32.

bxCAN 控制器 (Basic Extended CAN) 支援CAN協定2.0A和2.0B標準. 該CAN控制器支援最高的通訊速率為1Mbps, 可以自動地接收和傳送CAN報文, 支援使用標準ID和擴充套件ID的報文. 外設中具有3個傳送郵箱, 傳送報文的優先順序可以使用軟體控制, 還可以記錄傳送的時間；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; 可設定成自動重發; 不支援使用DMA進行資料收發.

CAN波特率的計算

通過設定位時序暫存器CAN_BTR的TS1[3:0]及TS2[2:0]暫存器位設定BS1及BS2段的長度後, 可以確定每個CAN資料位的時間

BS1段時間

Tbs1 =Tq x (TS1[3:0] + 1)

BS2段時間

Tbs2 = Tq x (TS2[2:0] + 1)

整個資料位的時間

Tbit = 1Tq + Tbs1 +Tbs2 = 1 + (TS1[3:0] + 1)+ (TS2[2:0] + 1)

Tq 是 CAN 通訊的最小時間單元, 與 CAN 時鐘匯流排及分頻器設定有關, CAN1和CAN2外設都是掛載在APB1匯流排上的, 而位時序暫存器 CAN_BTR 中的 BRP[9:0] 暫存器位可以設定CAN外設時鐘的分頻值 , 所以

Tq = brp * Tpclk = (BRP[9:0]+1) * Tpclk

其中的PCLK指APB1時鐘, 預設值為36MHz. 可以計算出 CAN 的波特率:

BaudRate = 1 / Tbit = Fpclk / ((Tbs1 + Tbs2 + 1) * brp)

CAN 波特率的設定

CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE; // time triggered communication mode off
CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE; // automatic bus-off management off
CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE; // automatic wake-up mode off, wakeup by software cleaar CAN->MCR SLEEP bit
CAN_InitStructure.CAN_NART = ENABLE;  // no-automatic retransmission mode on
CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE; // rx FIFO Locked mode off
CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE; // transmit FIFO priority off
CAN_InitStructure.CAN_Mode = mode;
// Set baud rate
CAN_InitStructure.CAN_SJW = tsjw;      // synchronisation_jump_width, CAN_SJW_1tq ~ CAN_SJW_4tq
CAN_InitStructure.CAN_BS1 = tbs1;      // number of time quanta in Bit Segment 1, CAN_BS2_1tq ~ CAN_BS2_8tq
CAN_InitStructure.CAN_BS2 = tbs2;      // number of time quanta in Bit Segment 2, CAN_BS1_1tq ~ CAN_BS1_16tq
CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = brp; // clock prescaler, 1~1024
CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);

CAN 的ID過濾機制

CAN 是一種典型的廣播式網路, 在實際應用中, 如果只希望接收到特定型別的資料, 就要藉助過濾器來實現. AIR32/STM32的CAN控制器包含14個過濾器, 可以設定為 遮蔽模式 或 列表模式 對CAN匯流排上的報文進行過濾. 當節點希望接收到一種報文時, 可以用遮蔽位元型樣進行過濾, 當節點希望接受到單一型別報文時, 應該設定為列表模式.

CAN控制器的每個過濾器都具備一個暫存器, 稱為遮蔽暫存器。其中識別符號暫存器的每一位都有遮蔽暫存器的每一位所對應.

AIR32/STM32 使用 CAN 外設內建的過濾器, 初始化程式碼為

  CAN_FilterTypeDef canfilterconfig;

  canfilterconfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE;
  canfilterconfig.FilterBank = 18;  // 指定使用哪個過濾器
  canfilterconfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
  canfilterconfig.FilterIdHigh = 0x103<<5;
  canfilterconfig.FilterIdLow = 0;
  canfilterconfig.FilterMaskIdHigh = 0x103<<5;
  canfilterconfig.FilterMaskIdLow = 0x0000;
  canfilterconfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
  canfilterconfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
  canfilterconfig.SlaveStartFilterBank = 20;  // how many filters to assign to the CAN1 (master can)

  HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &canfilterconfig);

FilterMode 用於設定過濾模式, 在STM32中有兩種過濾模式, 這裡使用的是掩碼模式

MASK MODE, 掩碼模式, 使用暫存器中設定的掩碼對接收到的ID中特定的位進行比較.
LIST MODE, 列表模式, 對於接收到的ID, 直接使用暫存器中的ID進行比較.

FilterScale 用於指定是 1)一個32bit的過濾暫存器, 還是 2)兩個16bit的過濾暫存器. 這裡使用的是一個 32 Bit 暫存器.

FilterIdHigh 用於設定 ID 暫存器的高16 Bits, 這裡的值會被用於與輸入的ID進行比較. 這裡只比較接收到的訊息的標準ID, 因此將值左移5位, STD ID 從 ID HIGH Register 的第5位開始.

FilterMaskIdHigh 是掩碼暫存器的高16 Bits, 在對接收到的訊息的ID進行比較時, 會忽略這個暫存器中bit=0的位, 僅對會對bit=1對應的位, 與ID暫存器中對應的位進行比較.

掩碼模式過濾的圖例說明

上圖中, CAN_FxR1 和 CAN_FxR2 都是32bit暫存器, 用於儲存過濾器的 ID 和 Mask 設定, 紅色框和綠色框分別對應程式碼中的 FilterIdHigh + FilterIdLow 和 FilterMaskIdHigh + FilterMaskIdLow.

這個例子中僅使用標準ID, 不使用擴充套件ID時, 低5位可以忽略
設定ID和Mask時, 都要將需要設定的ID值(0x103)左移5位, 因為低5位用於extId
與接收的ID對比時, 會根據Mask中bit值為1的位, 與ID中的對應bit進行比較, Mask中bit為0的位都會忽略. 這個例子中需要比較的位是0, 1 和 8
接收到的ID, 與ID暫存器中對應bit的值進行比較, 當這幾個bit的值都一致時, ID就是匹配的, 訊息就會被接收, 否則會被過濾

根據上面的設定

如果輸入的是0x102, 根據Mask設定, 第0,1,8位元會用於比較, 而ID的第0位為1, 所以這個輸入會被忽略
如果輸入的是0x107, 根據Mask設定, 第0,1,8位元會用於比較, ID設定的這三位都是1和輸入的一致, 所以這個輸入會被接收

帶擴充套件ID的例子

根據手冊 standard frames with 11-bit identifiers as well as extended frames with 29-bit identifiers, 擴充套件幀除了原有的 11 bits 標準ID外, 還帶 18 bits 的擴充套件ID. 為什麼是29 bits? 因為後面還有3個bit的功能標誌位

如果

將 stdId 和 extId 合併為一個29位的 filterId, 其結構為 EXTID[17:0] | STDID[10:0] (從高bit位到低bit位)
將對應的 mask 也合併為一個29位的 filterMask, 其結構為 EXTMASK[17:0] | STDMASK[10:0]

過濾條件的設定程式碼為

// 取值 STID[10:0] & EXTID[17:13], 因為 CAN_FilterIdHigh 是 16bit, 所以 filterId << 5 的高16bit會被忽略.
filter.CAN_FilterIdHigh = ((filterId << 5)  | (filterId >> (32 - 5))) & 0xFFFF;
// 取值 EXID[12:5] & 3 Reserved bits, 這裡同樣, filterId 移位後的高16bit會被忽略
filter.CAN_FilterIdLow = (filterId >> (11 - 3)) & 0xFFF8;
// 與上面同理
filter.CAN_FilterMaskIdHigh = ((filterMask << 5)  | (filterMask >> (32 - 5))) & 0xFFFF;
filter.CAN_FilterMaskIdLow = (filterMask >> (11 - 3)) & 0xFFF8;

測試範例

硬體準備

TJA1050 或 MCP2551 的 CAN 收發模組 x 2, 可以混合使用, TJA1050 與 MCP2551 可以互相通訊
帶 AIR32F103 的開發板

因為 TJA1050 和 MCP2551 都是5V供電, 因此開發板上要有5V輸出, 否則需要單獨供電

範例程式碼

程式碼倉庫目錄 https://github.com/IOsetting/air32f103-template/tree/master/Examples/NonFreeRTOS/CAN

這個目錄下包含兩個模式的例子, 一個是 Loopback, 一個是 Normal, 從合宙官方倉庫的例子參考(抄)的.

Loopback 模式

Loopback 是測試模式, 傳送的資料不進入匯流排直接進入接收佇列, 用於檢查 MCU 與 CAN 收發器之間通訊是否正常, 以及 CAN 收發器是否正常工作. 執行後在串列埠輸入's', 會傳送8個位元組並將接收到的資料通過串列埠回顯.

Normal 模式

正常的通訊模式, 需要兩套 MCU + CAN 收發器. CAN 收發器之間通過 CANH 和 CANL 連線. 程式碼中設定過濾器時, 使用的是相同的 ID 和 Mask 值, 對兩個MCU編譯燒錄時需要將 ID_TARGET 和 ID_RECEIV 的值互換一下.

執行後, 在一側串列埠輸入's', 在另一側會通過串列埠顯示接收到的資料.

問題

在測試中, 一開始給 TJA1050 錯誤使用了 3.3V 電壓, 在 Loopback 模式工作正常, 但是在 Normal 模式工作不正常, 只有將兩邊收發器共地才能正常通訊, 如果換成 MCP2551 則完全不能通訊.

這些問題在將電壓換成 5V 後就正常了.

參考

CAN Protocol in STM32 https://controllerstech.com/can-protocol-in-stm32/
Does The CAN Bus Need a Common Ground? https://www.edn.com/does-the-can-bus-need-a-common-ground/
STM32 CAN Communication || NORMAL Mode https://www.youtube.com/watch?v=KHNRftBa1Vc&t=104s

AIR32F103(九) CAN匯流排的通訊和ID過濾機制及範例

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