航順芯片HK32F103CAN的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用
航順芯片HK32F103系列是一款功能強(qiáng)大的32bit MCU，內(nèi)部集成多個(gè)通信模塊，其中CAN模塊支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B。目前廣泛應(yīng)用的是CAN 2.0B協(xié)議，其收發(fā)數(shù)據(jù)速度高達(dá)1Mbps，有兩種不同長(zhǎng)度的ID標(biāo)識(shí)符，分別是11位和29位的。
HK32F103系列CAN接口協(xié)議的主要特點(diǎn)：
(1) 多主控制：
總線空閑時(shí)，所有的單元均可開始發(fā)送消息。
(2) 消息的發(fā)送：
在 CAN 協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送，總線空閑時(shí)，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（ Identifier 以下稱為 ID）決定優(yōu)先級(jí)。 ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問(wèn)總線的消息的優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。即多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí) ID 消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。
(3) 系統(tǒng)的柔軟性：
與總線相連的CAN節(jié)點(diǎn)沒(méi)有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，連接在總線上的其它CAN節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。
(4) 通信速度：
根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可設(shè)定適合的通信速度。在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有CAN節(jié)點(diǎn)必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度。即使有一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信速度與其它的不一樣，此CAN節(jié)點(diǎn)也會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。
(5) 錯(cuò)誤檢測(cè)功能·錯(cuò)誤通知功能·錯(cuò)誤恢復(fù)功能：
所有的CAN節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能）
(6) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求：
所有的CAN節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能）
檢測(cè)出錯(cuò)誤的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)立即同時(shí)通知其他所有CAN節(jié)點(diǎn)（錯(cuò)誤通知功能）
正在發(fā)送消息的CAN節(jié)點(diǎn)一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤，會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷反復(fù)重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）。
(7) 故障封閉：
CAN 可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引起此故障的CAN節(jié)點(diǎn)從總線上隔離出去。
(8) 位填充： CAN通信的同步信息包含于傳輸數(shù)據(jù)中，電平的跳轉(zhuǎn)提供了同步信息，如果連續(xù)多個(gè)相同的總線值出現(xiàn)，這將影響到同步信息的提取。為此CAN采用位填充規(guī)則，即在一幀中的幀起始，仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)，數(shù)據(jù)場(chǎng)和CRC場(chǎng)部分（ CRC界定符，應(yīng)答幀和幀結(jié)束除外），當(dāng)發(fā)送器檢測(cè)到5個(gè)具有相同數(shù)值的連續(xù)位時(shí)，將自動(dòng)插入一個(gè)補(bǔ)碼位。接收節(jié)點(diǎn)收到5個(gè)連續(xù)位后下一位自動(dòng)刪除。
(9) 連接：
CAN 總線是可同時(shí)連接多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的總線。可連接的節(jié)點(diǎn)總數(shù)理論上是沒(méi)有限制的。但實(shí)際上可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)受總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制。降低通信速度，可連接的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)減少。如下是CAN通信速度和距離對(duì)應(yīng)圖：
(9) CAN總線物理框架可以抽象為：
MCU（微處理器） <--> CAN控制器 <--> CAN收發(fā)器 <--> CAN數(shù)據(jù)傳輸總線（CAN-H,CAN-L）。如下所示：
CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸線——>兩條雙向數(shù)據(jù)線，分為高位﹝CAN-H﹞和低位﹝CAN-L﹞數(shù)據(jù)線， 為了防止外界電磁波干擾和向外輻射，兩條數(shù)據(jù)線纏繞在一起，要求至少每 2.5cm 就要扭絞一次，兩條線上的電位是相反的，電壓的和總等于常值。
CAN總線的終端電阻——>防止數(shù)據(jù)在到達(dá)線路終端后象回聲一樣返回，并因此而干擾原始數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的正確傳送，終端電阻裝在控制單元內(nèi)。
CAN總線幀類型：
數(shù)據(jù)幀-Data frame
攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)。
分為標(biāo)準(zhǔn)幀（11位標(biāo)識(shí)符）和擴(kuò)展幀（29位標(biāo)識(shí)符）。
遠(yuǎn)程幀-Remote frame
向其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀, 遠(yuǎn)程幀也有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式。
例如CAN節(jié)點(diǎn)A需要知道CAN節(jié)點(diǎn)B的油溫溫度，CAN節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀給節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B收到該遠(yuǎn)程幀后發(fā)送一個(gè)帶油溫?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀給節(jié)點(diǎn)A。
錯(cuò)誤幀-Error frame
節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤之后發(fā)送錯(cuò)誤幀。
錯(cuò)誤標(biāo)志: 主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（000000）和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（111111）。
錯(cuò)誤界定符:11111111。
過(guò)載幀-Overload frame
接收節(jié)點(diǎn)通知其尚未做好接收準(zhǔn)備, 過(guò)載標(biāo)志（過(guò)載標(biāo)志重疊部分）+過(guò)載標(biāo)志界定符。
以下是關(guān)于CAN幀/報(bào)文中各個(gè)部分的說(shuō)明：
幀起始：SOF
0，占用1位。當(dāng)總線空閑時(shí)發(fā)送，用于CAN總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息同步。
仲裁段：ID+RTR
ID:
表示數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，先發(fā)送高位再發(fā)送低位。 11位或29位長(zhǎng)度。
RTR(Remote Transmit Request):
0: 表示該CAN幀是數(shù)據(jù)幀。
1: 表示該CAN幀是遠(yuǎn)程幀。
控制段：IDE+r0+DLC
IDE(IDentifier Extension):
0: 標(biāo)準(zhǔn)格式。
1: 擴(kuò)展格式。
保留位r0:
0。
保留位r1:
0。
DLC(Data Length Code):
表示數(shù)據(jù)域中的字節(jié)數(shù)，范圍０～８.
數(shù)據(jù)段：Data
CRC段：CRC Sequence+CRC界定符
CRC polynomial:
x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1
CRC界定符:
1.
ACK段：ACK Slot+ACK界定符
接收到匹配CRC序列的節(jié)點(diǎn)會(huì)在應(yīng)答位期間，寫0在發(fā)送器的隱性位作為回應(yīng)。
ACK界定符:
1.
幀結(jié)束：EOF
1111111,表示數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的結(jié)束。
SRR(Substitute Remote Request):
1, 擴(kuò)展幀中代替RTR位.
CAN總線通信機(jī)制—報(bào)文發(fā)送
-載波偵聽和帶沖突檢測(cè)協(xié)議的多路訪問(wèn)（ CSMA/CD）
-發(fā)送節(jié)點(diǎn)：回讀；
接收節(jié)點(diǎn)：監(jiān)聽
-線與機(jī)制：
所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送1，總線上才是1；有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送0，總線上就是0，即高電平是隱性位，低電平是顯性位。
-總線仲裁：如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，標(biāo)識(shí)符小的獲得仲裁，標(biāo)識(shí)符大的退出仲裁（回讀和線與）。
例如：
ID1:00000000010
ID2:00000000001
CAN總線通信機(jī)制—報(bào)文接收
如果總線上有數(shù)據(jù)正在發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收總線數(shù)據(jù)，只有通過(guò)接收節(jié)點(diǎn)的報(bào)文過(guò)濾規(guī)則才能被節(jié)點(diǎn)接收進(jìn)控制器。
CAN的錯(cuò)誤狀態(tài)：
主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)：主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是可以正常參加總線通信的狀態(tài)。處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，輸出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。
被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)： 被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是易引起錯(cuò)誤的狀態(tài)。 處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，輸出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元即使檢測(cè)出錯(cuò)誤，而其它處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元如果沒(méi)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，整個(gè)總線也被認(rèn)為是沒(méi)有錯(cuò)誤的。
總線關(guān)閉狀態(tài)：總線關(guān)閉態(tài)是不能參加總線上通信的狀態(tài)。信息的接收和發(fā)送均被禁止。
錯(cuò)誤類型：
現(xiàn)在以航順芯片的HK32F103VET6(LQFP-100)為例來(lái)說(shuō)明CAN通信的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。HK32F103VET6是航順芯片的一款功能強(qiáng)大的32位MCU，內(nèi)部集成CAN控制器，因此進(jìn)行CAN通信時(shí)，只需要外接一個(gè)CAN收發(fā)器。
由HK32F103芯片的datasheet，如下截圖我們得知，CAN的發(fā)送引腳為PA12，接收引腳為PA11。
由HK32F103芯片的用戶手冊(cè)，如下截圖，得知需要把CAN的發(fā)送引腳PA12設(shè)置為推挽復(fù)用輸出，CAN的接收引腳PA11設(shè)置為浮空輸入或上拉輸入。
詳細(xì)的GPIO配置，依據(jù)該芯片的用戶手冊(cè)的表8-1：
因此，軟件中對(duì)引腳的設(shè)置如下：
這里，我們使用TJA1050作為CAN收發(fā)器，原理示意圖如下：
將CAN_D連接HK32F103VET6芯片的引腳PA12，CAN_R連接HK32F103VET6芯片的引腳PA11，CANL和CANH接外部CAN總線（即前文提到的CAN-L和CAN-H）。
軟件驅(qū)動(dòng)方面，首先應(yīng)該使能CAN模塊的時(shí)鐘，如下：
HK32F103VET6芯片CAN模塊（后續(xù)我們簡(jiǎn)稱其為bxCAN）有3個(gè)主要的工作模式：初始化、正常和睡眠模式。在硬件復(fù)位后，bxCAN 工作在睡眠模式以節(jié)省電能，同時(shí) CANTX 引腳的內(nèi)部上拉電阻被激活。軟件通過(guò)對(duì) CAN_MCR 寄存器的INRQ或SLEEP 位置’1’，可以請(qǐng)求 bxCAN 進(jìn)入初始化或睡眠模式。一旦進(jìn)入了初始化或睡眠模式，bxCAN 就對(duì) CAN_MSR 寄存器的 INAK 或 SLAK 位置’1’來(lái)進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)內(nèi)部上拉電阻被禁用。當(dāng)INAK 和 SLAK 位都為’0’時(shí)，bxCAN 就處于正常模式。在進(jìn)入正常模式前，bxCAN 必須跟 CAN 總線取得同步；為取得同步，bxCAN 要等待 CAN 總線達(dá)到空閑狀態(tài)，即在 CANRX 引腳上監(jiān)測(cè)到 11 個(gè)連續(xù)的隱性位。
因此我們需要把CAN模塊設(shè)置為初始化模式，如下：
在初始化模式設(shè)置成功之后，根據(jù)具體應(yīng)用的要求，設(shè)置自動(dòng)離線(Bus-Off)管理、自動(dòng)喚醒模式、是否禁止報(bào)文自動(dòng)重傳、接收FIFO鎖定模式、發(fā)送 FIFO 優(yōu)先級(jí)等，如下示例：
CAN通信過(guò)程中，很重要的一點(diǎn)是設(shè)置通信速率，bxCAN的通信速率設(shè)置依據(jù)HK32F103VET6用戶手冊(cè)中的：
我們現(xiàn)在要設(shè)置500Kbps的通信速度，那么需要設(shè)置APB時(shí)鐘頻率為36MHz，還需要設(shè)置位BRP=3，TS1=8，TS2=7，如下：
至此，CAN初始化中幾個(gè)重要特性已經(jīng)設(shè)置好，可以把CAN模塊設(shè)置位正常模式，以便正常地發(fā)送報(bào)文。從初始化模式切換為正常模式的設(shè)置，如下：
報(bào)文的發(fā)送，其核心在于正確操作CAN_TIxR、CAN_TDTxR、CAN_TDLxR、CAN_TDHxR寄存器，如下為例，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)格式的ID=0x12的8字節(jié)長(zhǎng)度的CAN數(shù)據(jù)幀報(bào)文。
并通過(guò)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)寄存器檢查發(fā)送成功與否：
某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)要接收哪些CAN報(bào)文，由其CAN接收規(guī)則（或者稱為接收過(guò)濾器）設(shè)定。在接收到有效的報(bào)文之前，應(yīng)該先設(shè)置好其接收規(guī)則。為此，HK32F103VET6的bxCAN 控制器為應(yīng)用程序提供了 14 個(gè)位寬可變的、可配置的過(guò)濾器組（13~0），以便只接收那些軟件需要的報(bào)文。硬件過(guò)濾的做法節(jié)省了 CPU 開銷，否則就必須由軟件過(guò)濾從而占用很大的 CPU開銷。每個(gè)過(guò)濾器組x由2個(gè)32位寄存器，CAN_FiR1和CAN_FiR2【(CAN_FiRx) (i＝0..13； x=1..2)】，組成。
每個(gè)過(guò)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(guò)濾器組可提供：
• 1 個(gè) 32 位過(guò)濾器，包括：STDID[10:0]、EXTID[17:0]、IDE 和 RTR 位
• 2 個(gè) 16 位過(guò)濾器，包括：STDID[10:0]、IDE、RTR 和 EXTID[17:15]位
此外過(guò)濾器可配置為，屏蔽位模式和標(biāo)識(shí)符列表模式。
在屏蔽位模式下，標(biāo)識(shí)符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報(bào)文標(biāo)識(shí)符的任何一位，應(yīng)該按照“必須匹配”或“不用關(guān)心”處理。
在標(biāo)識(shí)符列表模式下，屏蔽寄存器也被當(dāng)作標(biāo)識(shí)符寄存器用。因此，不是采用一個(gè)標(biāo)識(shí)符加一個(gè)屏蔽位的方式，而是使用 2 個(gè)標(biāo)識(shí)符寄存器。接收?qǐng)?bào)文標(biāo)識(shí)符的每一位都必須跟過(guò)濾器標(biāo)識(shí)符相同。
過(guò)濾器組可以通過(guò)相應(yīng)的 CAN_FM1R 寄存器配置。在配置一個(gè)過(guò)濾器組前，必須通過(guò)清除 CAN_FAR寄存器的 FACT 位，把它設(shè)置為禁用狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置 CAN_FS1R 的相應(yīng) FSCx 位，可以配置一個(gè)過(guò)濾器組的位寬，請(qǐng)參見下圖。通過(guò) CAN_FM1R 的 FBMx 位，可以配置對(duì)應(yīng)的屏蔽/標(biāo)識(shí)符寄存器的標(biāo)識(shí)符列表模式或屏蔽位模式。
我們以常用的一個(gè)32位過(guò)濾器+標(biāo)識(shí)符屏蔽的方式為例進(jìn)行說(shuō)明。
如上圖，“映像”行中，RTR對(duì)應(yīng)CAN_FiRx的bit1，IDE對(duì)應(yīng)CAN_FiRx的bit2，EXID對(duì)應(yīng)CAN_FiRx的bit3-bit20，STID對(duì)應(yīng)CAN_FiRx的bit21-bit31。結(jié)合前文仲裁段和控制段所述，RTR為0時(shí)表示該CAN幀是數(shù)據(jù)幀，為1時(shí)表示該CAN幀是遠(yuǎn)程幀；IDE為0時(shí)表示該CAN幀是標(biāo)準(zhǔn)格式，為1時(shí)表示該CAN幀是擴(kuò)展格式。標(biāo)準(zhǔn)格式下只用到STID位，擴(kuò)展格式下還會(huì)用到EXID位。在32位過(guò)濾器+標(biāo)識(shí)符屏蔽的方式應(yīng)用中，“ID”行中，即CAN_FiR1寄存器用于設(shè)置CAN報(bào)文的ID、IDE、RTR。“屏蔽”行中，即CAN_FiR2寄存器用于設(shè)置接收?qǐng)?bào)文過(guò)程中，是否比較ID、IDE、RTR這些對(duì)應(yīng)的各個(gè)位，為0時(shí)表示“不用關(guān)心”，為1時(shí)表示“必須匹配”。以RTR為例，當(dāng)設(shè)置CAN_FiR2的RTR為1“必須匹配”，且CAN_FiR1時(shí)RTR為0時(shí)，表示只接收數(shù)據(jù)幀，不接收遠(yuǎn)程幀；而當(dāng)設(shè)置CAN_FiR2的RTR為0時(shí)“不用關(guān)心”，表示無(wú)論是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀，都會(huì)進(jìn)行接收。
下面，我們開始說(shuō)明過(guò)濾器的具體設(shè)置。
首先應(yīng)該設(shè)置過(guò)濾器組工作在初始化模式并暫時(shí)禁用過(guò)濾器，如下：
接著設(shè)置過(guò)濾器的位寬是單個(gè)32位，及工作在標(biāo)識(shí)符屏蔽位模式下，如下：
假設(shè)我們現(xiàn)在只需要接收兩條CAN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，且其ID分別為00000000000和00000000001，那么應(yīng)該設(shè)置IDE為0，RTR為0，CAN_FiR1為0，CAN_FiR2為0xFFC00006，如下：
接著設(shè)置接收到的報(bào)文存放于哪個(gè)FIFO，這里我們存放到FIFO 0，如下：
最后重新激活過(guò)濾器和設(shè)置過(guò)濾器工作在正常模式：
編輯：zzy 最后修改時(shí)間：2022-04-15
