CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。

它的通信速度較快，通信距離遠，最高1Mbps（距離小于40米），最遠可達10千里（速率低于5Kbps）。在總線空閑時，所有單元都可以發送消息（多主控制），而兩個以上的單元同時開始發送消息時，根據標識符（Identifier 以下稱為 ID）決定優先級。ID 并不是表示發送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優先級。兩個以上的單元同時開始發送消息時，對各消息ID 的每個位進行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優先級最高）的單元可繼續發送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發送而進行接收工作。

CAN協議經過ISO標準化后有兩個標準：ISO11898標準和ISO11519-2標準。其中ISO11898是針對通信速率為125Kbps~1Mbps的高速通信標準，而ISO11519-2是針對通信速率為125Kbps以下的低速通信標準。

本章，我們使用的是450Kbps的通信速率，使用的是ISO11898標準，該標準的物理層特征如圖1所示：

從該特性可以看出，顯性電平對應邏輯0，CAN_H和CAN_L之差為2.5V左右。而隱性電平對應邏輯1，CAN_H和CAN_L之差為0V。在總線上顯性電平具有優先權，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。而隱形電平則具有包容的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平（顯性電平比隱性電平更強）。另外，在CAN總線的起止端都有一個120Ω的終端電阻，來做阻抗匹配，以減少回波反射。

CAN協議是通過以下5種類型的幀進行的：

l 數據幀

l 搖控幀

l 錯誤幀

l 過載幀

l 幀間隔

另外，數據幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有11 個位的標識符（ID），擴展格式有29 個位的ID。

1.數據幀

數據幀一般由7個段構成，即：

（1） 幀起始。表示數據幀開始的段。

（2） 仲裁段。表示該幀優先級的段。

（3） 控制段。表示數據的字節數及保留位的段。

（4） 數據段。數據的內容，一幀可發送0~8個字節的數據。

（5） CRC段。檢查幀的傳輸錯誤的段。

（6） ACK段。表示確認正常接收的段。

（7） 幀結束。表示數據幀結束的段。

如圖2為數據幀的構成：

圖中D表示顯性電平，R表示隱形電平（下同）。

幀起始，標準幀和擴展幀都是由1個位的顯性電平表示幀起始。

仲裁段，表示數據優先級的段，標準幀和擴展幀格式在本段有所區別，標準格式的ID 有11 個位。從ID28 到ID18 被依次發送。禁止高7 位都為隱性（禁止設定：ID=1111111XXXX，原因：can通信采用的是NZR編碼，而can的仲裁是靠數據幀中的ID部分來實現的，全為隱性狀態，可能導致仲裁失敗！）。擴展格式的 ID 有29 個位。基本ID 從ID28 到ID18，擴展ID 由ID17 到ID0 表示。基本ID 和標準格式的ID 相同。禁止高7 位都為隱性（禁止設定：基本ID=1111111XXXX）。

其中RTR位用于標識是否是遠程幀（0，數據幀；1，遠程幀），IDE位為標識符選擇位（0，使用標準標識符；1，使用擴展標識符），SRR位為代替遠程請求位，為隱性位，它代替了標準幀中的RTR位。

控制段，由6個位構成，表示數據段的字節數。

數據段，該段可包含0~8個字節的數據。從最高位（MSB）開始輸出，標準幀和擴展幀在這個段的定義都是一樣的。

CRC段，該段用于檢查幀傳輸錯誤。由15個位的CRC順序和1個位的CRC界定符（用于分隔的位）組成，標準幀和擴展幀在這個段的格式也是相同的。

ACK段，此段用來確認是否正常接收。由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個位組成。標準幀和擴展幀在這個段的格式也是相同的。

2.遠程幀（遙控幀）

遠程幀作用：只發送ID號，不發送數據，它將ID發給另一臺設備，請求另一臺設備返回數據。

3.CAN總線波特率設置

位速率：由發送單元在非同步的情況下發送的每秒鐘的位數稱為位速率。一個位可分為 4 段。

l 同步段（SS）

l 傳播時間段（PTS）

l 相位緩沖段1（PBS1）

l 相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為 Time Quantum（以下稱為Tq）的最小時間單位構成。

1 位分為4 個段，每個段又由若干個Tq 構成，這稱為位時序。

1 位由多少個Tq 構成、每個段又由多少個Tq 構成等，可以任意設定位時序。通過設定位時序，多個單元可同時采樣，也可任意設定采樣點。STM32把傳播時間段和相位緩沖段1（STM32稱之為時間段1）合并了，所以STM32的CAN一個位只有3段：同步段（SYNC_SEG）、時間段1（BS1）和時間段2（BS2）。STM32的BS1段可以設置為1~16個時間單元，剛好等于我們上面介紹的傳播時間段和相位緩沖段1之和。STM32的CAN位時序如圖3所示：

圖中還給出了CAN波特率的計算公式，我們只需要知道BS1和BS2的設置，以及APB1的時鐘頻率（一般為36Mhz），就可以方便的計算出波特率。比如設置TS1=6、TS2=7和BRP=4，在APB1頻率為36Mhz的條件下，即可得到CAN通信的波特率=36000/[(7+8+1)*5]=450Kbps。圖4是常見CAN總線的波特率設置：

4.CAN總線屏蔽濾波

STM32的標識符屏蔽濾波目的是減少了CPU處理CAN通信的開銷。STM32的過濾器組最多有28個（互聯型），但是STM32F103ZET6只有14個（增強型），每個濾波器組x由2個32為寄存器，CAN_FxR1和CAN_FxR2組成。

STM32每個過濾器組的位寬都可以獨立配置，以滿足應用程序的不同需求。根據位寬的不同，每個過濾器組可提供：

● 1個32位過濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE和RTR位

● 2個16位過濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR和EXTID[17:15]位

此外過濾器可配置為，屏蔽位模式和標識符列表模式。

在屏蔽位模式下，標識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標識符的任何一位，應該按照“必須匹配”或“不用關心”處理。

而在標識符列表模式下，屏蔽寄存器也被當作標識符寄存器用。因此，不是采用一個標識符加一個屏蔽位的方式，而是使用2個標識符寄存器。接收報文標識符的每一位都必須跟過濾器標識符相同。

濾波過程舉例：

現有ID號為001,002,003,004的4個CAN，他們都能發送、接收廣播報文。站在CAN002號角度看，它所能接受到報文的ID是通過濾波器濾波后的ID號，即這里將過濾方式分兩種，一是002號能接收多個ID報文（屏蔽濾波模式），二是002號只能接收一個ID報文（標識符列表模式）。

屏蔽濾波模式：

標識符寄存器：0 0 1

屏蔽寄存器： 1 0 1

報文ID號： 0 0/1 1

如果設置標識符寄存器和屏蔽寄存器為001和101；屏蔽濾波模式的作用是如果屏蔽寄存器某位上出現了1，則報文ID號對應的那位要與標識符寄存器那位一致，即“必須匹配”原則，所以標識符寄存器第一位0，報文ID號第一位也必須為0，因為屏蔽寄存器第一位為1，類似的第三位也是這樣。如果屏蔽寄存器某位上出現了0，則報文ID號對應的那位可與標識符寄存器那位不一致也可以一致，即“不用關心”原則，第二位由于屏蔽寄存器上為0，所以報文ID號可以與標識符寄存器上的0一致也可以不一致，故報文ID號第二位為0/1。所以002號（010）可以接受來自001號（001）和003號（011）的報文。

標識符列表模式：將設置的屏蔽寄存器改為標識符寄存器

標識符寄存器：0 0 1

標識符寄存器： 0 0 1

報文ID號： 0 0 1

如果設置2個標識符寄存器為001和001；報文ID號必須與這兩個標識符寄存器所對應的位相等。所以002號CAN只能接受001號的報文。

下圖5是CAN_FMR寄存器，可以配置過濾器組的寄存器位數16還是32位，工作模式以及它和標準幀、擴展幀位數的對應關系，方便我們在不同的幀模式（標準數據幀、擴展數據幀、標準遠程幀、擴展遠程幀）下對報文ID進行過濾。

5.CAN的發送與接收流程

5.1CAN 發送流程

發送報文的流程為：應用程序選擇1個空發送郵箱；設置標識符、數據長度和待發送數據；然后CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，來請求發送。TXRQ位置1后，郵箱就不再是空郵箱；而一旦郵箱不再為空，軟件對郵箱寄存器就不再有寫的權限。TXRQ位置1后，郵箱馬上進入掛號狀態，并等待成為最高優先級的郵箱。一旦郵箱成為最高優先級的郵箱，其狀態就變為預定發送狀態。當CAN總線進入空閑狀態，預定發送郵箱中的報文就馬上被發送（進入發送狀態）。郵箱中的報文被成功發送后，它馬上變為空郵箱，硬件相應地對CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，此時可以設置發送中斷（入口地址：USB_HP_CAN_TX_IRQChannel()），進入中斷置can_tx_flag_success=1，來表明一次成功發送。

5.2CAN接收流程

接收到的報文，被存儲在3級郵箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬件來管理，從而節省了CPU的處理負荷，簡化了軟件并保證了數據的一致性。應用程序只能通過讀取FIFO輸出郵箱，來讀取FIFO中最先收到的報文。根據CAN協議，當報文被正確接收（直到EOF域的最后1位都沒有錯誤），且通過了標識符過濾，那么該報文被認為是有效報文。接收相關的中斷條件：

一旦往FIFO存入1個報文，硬件就會更新FMP[1:0]位，并且如果CAN_IER寄存器的FMPIE位為1，那么就會產生一個中斷請求，可以進入接收中斷讀取接收的數據（入口地址：USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel()）。

當FIFO變滿時（即第3個報文被存入），CAN_RFxR寄存器的FULL位就被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FFIE位為1，那么就會產生一個滿中斷請求。

在溢出的情況下，FOVR位被置1，并且如果CAN_IER寄存器的FOVIE位為1，那么就會產生一個溢出中斷請求。

6.CAN總線應用——CAN與上位機通訊實驗（基于stm32f103zet6）

6.1硬件設計

本文的TX與RX采用PB9和PB8（端口重映射），他們與CAN收發器連接，CAN收發器（芯片有很多，如：TJA1050;SN65VD230）與USB/CAN轉換器連接到PC機上，具體電路如圖6。

CAN收發器：

usb/can轉換器：某寶上有賣，100多就行。

6.2程序

#include "pbdata.h"

void RCC_Configuration(void);

void GPIO_Configuration(void);

void NVIC_Configuration(void);

void CAN_Configuration(void);

int main(void)

{

CanTxMsg TxMessage;

RCC_Configuration(); //時鐘配置

GPIO_Configuration();//端口配置

NVIC_Configuration();

CAN_Configuration();

while(1)

{

//每隔1s發送一個報文，一個報文8B

TxMessage.StdId=0xFF00>>5;//標準幀只有31-21位，對于16位寄存器而言，低五位為擴展幀，所以在寫16位數據時，最后5位置0

TxMessage.ExtId=0;

TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;//選擇發送標準幀

    //TxMessage.StdId=0;

//TxMessage.ExtId=0xFFFFFFFF>>3;//擴展幀只有18位，在32位數據時最后三位為（IDE，RTR，TXRQ），所以在寫擴展幀時，最后三位要置0

//TxMessage.IDE=CAN_ID_EXT;

//發送擴展幀

TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;//發送的是數據幀

//TxMessage.RTR=CAN_RTR_REMOTE;//遠程幀，只發送ID，不發送數據，將ID發給另一臺設備，請求另一臺設備返回數據

TxMessage.DLC=8;//數據長度8B

TxMessage.Data[0]=0x11;

TxMessage.Data[1]=0x22;

TxMessage.Data[2]=0x33;

TxMessage.Data[3]=0x44;

TxMessage.Data[4]=0x55;

TxMessage.Data[5]=0x66;

TxMessage.Data[6]=0x77;

TxMessage.Data[7]=0x88;

//數據內容

can_tx_success_flag = 0;

       CAN_Transmit(CAN1,&tx_message);//can發送數據

       while(can_tx_success_flag == 0);//是否一次發送成功

delay_ms(1000);//1s一次 

}

}

void RCC_Configuration(void)

{

    SystemInit();//72m

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);

}

void GPIO_Configuration(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//端口重映射

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap1_CAN1,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;//RX

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;//TX

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

void NVIC_Configuration(void)

{

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; 

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

void CAN_Configuration(void)

{

//硬件上有個can/usb才能與PC通訊

   CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;

   CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;

   CAN_DeInit(CAN1);

   CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);

   //關閉時間觸發模式

   CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;

   //關閉自動離線管理

   CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;

   //關閉自動喚醒模式

   CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;

   //禁止報文自動重傳

   CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;

   //FIFO溢出時報文覆蓋源文件

   CAN_InitStructure.CAN_RFLM=DISABLE;

   //報文發送優先級取決于ID號，本次只用了一個發送郵箱，關閉TXFP

   CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;

   //工作模式（正常）

   CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_Normal;

   //波特率設置125 KBPS

   CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;

   CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_3tq;

   CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_2tq;

   CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 48;

   //初始化CAN

   CAN_Init(CAN1,&CAN_InitStructure);

   //屏蔽濾波（can接收才涉及）

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;//0號濾波器

   //屏蔽濾波模式

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;//標識符屏蔽位模式

   //32位寄存器

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;

   //標識符寄存器高16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh=0x0F00;

   //標識符寄存器低16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow=0;

   //屏蔽寄存器高16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh=0x0F00;

   //屏蔽寄存器低16位

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow=0;

   //過濾器將ID報文關聯到FIFO0緩存區中，數據只能從這里導出

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_Filter_FIFO0;

   //過濾器使能

   CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;

   //初始化過濾器

   CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

   //接收中斷使能

   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_FMP0,ENABLE);

   //發送中斷使能

   CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_TME,ENABLE);

}

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)

{

CanRxMsg RxMessage;

CanTxMsg TxMessage;

//CAN接收

CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);//can接收的數據存在FIFO0的RxMessage里

TxMessage.StdId=RxMessage.StdId;//標準ID

TxMessage.ExtId=RxMessage.ExtId;//擴展ID

TxMessage.IDE=RxMessage.IDE;//標準幀還是擴展幀

TxMessage.RTR=RxMessage.RTR;//數據幀還是遠程幀

TxMessage.DLC=RxMessage.DLC;//待傳輸數據長度

TxMessage.Data[0]=RxMessage.Data[0];

TxMessage.Data[1]=RxMessage.Data[1];

TxMessage.Data[2]=RxMessage.Data[2];

TxMessage.Data[3]=RxMessage.Data[3];

TxMessage.Data[4]=RxMessage.Data[4];

TxMessage.Data[5]=RxMessage.Data[5];

TxMessage.Data[6]=RxMessage.Data[6];

TxMessage.Data[7]=RxMessage.Data[7];

//CAN發送

CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);

}

//進發送中斷的目的是為了設置can發送成功標志位

void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void) //CAN TX

{

    if (CAN_GetITStatus(CAN1,CAN_IT_TME)!= RESET)

{

   CAN_ClearITPendingBit(CAN1,CAN_IT_TME);

       can_tx_success_flag=1;

    }

}