【GD32F303红枫派开发板使用手册】第三十讲 CAN -CAN通信实验

30.1实验内容

通过本实验主要学习以下内容：

• CAN的简介
• GD32F303 CAN工作原理
• 通过CAN实现回环收发

30.2实验原理

30.2.1CAN概述

CAN 是Controller Area Network的缩写，是由德国BOSCH公司开发的，已成为ISO国际标准化的串行通信协议。其主要应用场合为汽车和工业控制。CAN具有传输距离长，传输可靠、强大的纠错机制等特点，其高性能和可靠性已被广泛认同，现在已经成为汽车、工业自动化、医疗设备等领域应用最广泛的总线之一。

30.2.2CAN总线拓扑

CAN总线拓扑图如下：

CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平，一般将两根线分别命名为CAN_H和CAN_L。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。 当CAN总线上的电位差为0V时，表示隐性电平，隐性电平代表逻辑“1”；当CAN总线上有电位差时（大概在2.5V左右），表示显性电平，显性电平代表逻辑“0”。总线空闲时，默认为隐性电平，即总线电位差为0。

CAN总线的特点可以总结为：

1. 多主

与USART-485这种一主多从类型总线不同，CAN总线是多主控制，即总线上没有主机从机之分，所有设备都是处于平等的地位。

1. 消息格式

CAN总线上的消息都以固定格式发送。当两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier以下称为ID）决定优先级。ID并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。

1. 通信速度快，通信距离远

CAN最高可达1Mbps波特率，理论最远距离可达10Km，当然此时通讯速率较低，只有5Kbps以下。

1. 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能

CAN总线具有强大的错误检测、通知和恢复功能。当一个单元发生错误时其他单元会进行报错，正在发送的单元检测到错误后，会立即强制结束当前发送，并尝试重新发送（功能可配置），当发送错误的次数达到一定值后，该单元会自动从总线中退出，直到应用程序让其重新加入总线为止。

1. 半双工异步通讯

CAN的总线的查分信号，决定了CAN总线实际为半双工通讯，另外由于CAN总线没有时钟线，所以是异步通讯，故要求CAN总线上的所有单元的波特率都要设置一致。

30.2.3CAN帧的种类

CAN总共有如下五种类型的帧种类：

• 数据帧

用于数据传输的帧，也是最常用的一种帧种类

• 遥控帧

接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据时所需要的帧种类

• 错误帧

一种非常重要的帧种类，错误帧是当总线上有错误时，检测到错误的单元向其他单元通知错误的帧。

• 过载帧

用于接收单元通知其他单元其还没有准备好的帧种类

• 帧间隔

用于帧和帧之间分离的帧

30.2.4CAN协议的解析

介绍了CAN的一些基本指示后，可能读者还是不太明白帧ID是什么，CAN的发送和接收是怎么实现的，是否就像串口一样发送数据就可以？实际上CAN需要遵循CAN协议，这样每个CAN单元才可以准确无误的发送和接收数据，CAN强大的错误检测、错误通知等机制也是依托于标准CAN协议。下面以数据帧来解析下CAN的协议。

数据帧的格式如下图，其中D表示显性位，即逻辑“0”，R表示隐性位，即逻辑“1”，D/R表示隐性位或显性位，另外下图中的数字表示bit位数：

• 帧开始

每次CAN通讯都始于帧开始段，帧开始是1个bit位的显性电平（逻辑“0”），由发送方发出，接收方检测到一个bit逻辑“0”，开始准备接收数据。

• 仲裁段

好了，我们终于看到了帧ID的庐山真面目了。数据帧分为两种——标准帧和扩展帧，标准帧的帧ID由11bit组成，扩展帧有11+18共29bit组成。需要注意，无论是标准帧ID还是扩展帧ID，都不允许设置最高7bit为1（即不允许帧ID=0b,1111111xxx··），以为帧结束段就是7个“1”组成。

冲裁段中的 RTR 位用于标识是否是远程帧（0：数据帧；1：远程帧），IDE位为标识符选择位（0：使用标准标符；1：使用扩展标识符），SRR位为代替远程请求位，为隐性位，它代替了标准帧中的RTR位。

我们需要先明确一个概念，CAN总线上的每个单元并不是只能发送固定帧ID，而是可以发送任意帧ID，帧ID不代表CAN设备号，代表的是当前数据帧/远程帧的ID号。当一帧数据发送到总线后，所有接收方会对帧ID进行识别，当识别到是自己需要的ID时，则会将该帧数据收取到内部；而当识别到不是自己需要的ID时，则不会接收数据。

因为有可能出现两个或更多CAN单元同时发送数据的情况，此时帧ID还起到仲裁的作用，各发送单元从帧ID的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送，比如两个CAN单元同时发送数据，其中单元一发出的数标准帧的ID为0b,00110000000，而单元二发出的标准帧ID为0b,00100000000，可以看到发送到第4位时，单元一发出的是逻辑“1”，单元二的是逻辑“0”，因为总线上“0”比“1”优先级搞，所以此时单元二获得总线发送权，单元一将自动停止发送。

• 控制段

控制段由6个bit组成，其中DLC占用4个bit，表示要发送的字节数。

• 数据段

数据段即帧载有的有效数据了，CAN最多一次可发送8个字节（CANFD最多可以发送64字节，这个后面介绍带CANFD功能的开发板时再细说），也就是说上面描述的DLC最大值为0b,1000。

• CRC段

CRC段总共有16bit，其中15个bit表示CRC值，另1个bit为CRC界定符。此段CRC的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。发送会根据发送的数据来计算出一个CRC值并通过CRC段发到总线，接收方以同样的算法计算CRC值并和发送方发出的CRC段进行比较，当不一致时接收方会向总线报错。

• ACK段

ACK段用来确认接收方是否正常接收。ACK段由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2个位组成。

发送单元的 ACK，发送2个位的隐性位，而接收到正确消息的单元在ACK槽（ACK Slot）发送显性位，通知发单元正常接收结束，这个过程叫发送ACK/返回ACK。发送ACK的是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送ACK）。

• 帧结束

帧结束由7个bit的逻辑“1”组成，表示该帧结束。

30.2.5CAN的波特率

前面有提到CAN的波特率，波特率代表每秒钟传输的位数（1位就表示1bit），我们来看下GD32F303的波特率是怎么计算的。

首先需要了解一个概念，CAN时序的最小单位是一个叫Tq的东西，CAN的每个位即每个bit是由若干个Tq组成的，那么这个Tq的长度是多少呢？GD32F303的CAN是挂载在APB1总线的：

如果读者将GD32F303的主频配置为最高120M，且将APB1的时钟配置为最高60M的话，那么CAN的时钟就是60M，然后CAN有个分频系数，在位时序寄存器CAN_BT中：

一个Tq占用的时间计算公式：分频系数/CAN时钟，举个例子，我们设置这个分频系数为6的话，一个Tq的时间就是6/60M = 100us，也可以说Tq的传输速率为10M。那么由多少个Tq组成CAN的一个位呢？还是看CAN_BT寄存器：

寄存器中有BS1和BS2，这两个位域用于设置位段1和位段2（关于位段后面会介绍），一个CAN位占用的Tq个数等于位段1+位段2+1，举个例子，设置位段1为5（即BS1=4），设置位段2为4（即BS2=3），那么一个CAN位占用的Tq个数为5+4+1=10。好，现在就可以来算CAN的波特率了，按照CAN分频系数为6，位段1为5，位段2为4，一个位占用的时间为6/60M*10 = 1ms，也就是波特率=1M。我们可以把这个计算转化为公式：

30.2.6CAN的位时序和采样点

我们现在来看下上一节提到的位段1和位段2。CAN总线控制器将位时间分为3个部分。

• 同步段（Synchronization segment），记为SYNC_SEG。该段占用1个时间单元（1 ×����）。
• 位段1（Bit segment 1），记为BS1。该段占用1到16个Tq（由位时序寄存器配置）。相对于CAN协议而言，BS1相当于传播时间段（Propagation delay segment）和相位缓冲段1（Phase buffer segment 1）。
• 位段2（Bit segment 2），记为BS2。该段占用1到8个Tq（由位时序寄存器配置）。相对于CAN协议而言，BS2相当于相位缓冲段2（Phase buffer segment 2）。

位时序图：

说完位时序我们来介绍下GD32F303的采样点。

对于接收方来说，需要对发送方发出的每个bit进行采样，那么具体是采样哪个点呢？按照CAN标准来说，采样点为BS1和BS2的交界处，即：

而GD32F303为了更好的容错性，会在标准采样点前一个以及前前一个Tq加了两个采样点，取两个有效位，所以GD32F303的采样点为：

如果三个采样点分别采样到的为010，则认为该位为“1”。

30.2.7GD32F303 CAN过滤器

前面提到CAN节点发送数据的时候，帧ID是任意的，那么接收方是不是任意ID都可以接收呢？当然是可以的，但一般不会这么做，一个CAN节点一般只接收一个ID或几个ID的报文，那么如何实现呢？这就要介绍CAN的过滤器了，只有总线上的报文帧ID通过了CAN节点的过滤，才会被接收。

GD32F303共有14个过滤器组（对于互联性GD32F305/F307，是28个过滤器组），每个过滤器组有两个过滤器寄存器。程序中需要设置过滤器对应哪个接收FIFO（接收FIFO会在下一节中介绍）。

GD32F303过滤器（x） 数据（y） 寄存器（CAN_FxDATAy）（x= 0...13, y = 0,1）（ 仅CAN0可用）：

过滤器可以配置为2种位宽：32-bit位宽和16-bit位宽。32-bit位宽CAN_FDATAx包含字段：SFID[10:0]，EFID[17:0]，FF和FT。

16-bit 位宽CAN_FDATAx包含字段：SFID[10:0]，FT，FF和EFID[17:15]。

过滤器可以设置为两种模式——掩码模式和列表模式：

• 掩码模式

对于一个待过滤的数据帧的标识符（Identifier），掩码模式用来指定哪些位必须与预设的标识符相同，哪些位无需判断。掩码模式有两种位宽：32bit和16bit。

一个 32-bit 位宽掩码模式过滤器如下：

可以看到，在掩码模式下，FDATA0用于目标ID，FDATA1用于Mask。举个例子，设置FDATA0为0x55550000，FDATA1为0xFF00FF00（第31~24以及第15~8位为1），那么意味着总线上的报文ID的第31~24以及第15~8位必须和FDATA0相应位相同，就可以通过这个过滤器，而其他位则不需要关心，也就是说帧ID为0x55xx00xx可以通过过滤器。

明白了32bit掩码模式过滤器，16位位宽就很好理解了。一个16-bit位宽掩码模式过滤器如下：

和32-bit的不用，16-bit位宽掩码过滤器的ID为FDATA0的高16bit，Mask为FDATA0的低16bit，这也意味着16-bit位宽掩码模式可以设置28个过滤ID掩码类型。

• 列表模式

列表模式和掩码模式不同，列表模式设置了一个个具体ID，只有和这些ID完全相同的帧才可以通过过滤器，同样分成两种位宽模式。

32-bit位宽列表模式过滤器：

16-bit位宽列表模式过滤器：

30.2.8GD32F303 CAN的发送和接收

通过上面的学习，我们已经基本了解了CAN的工作原理了，这节我们来讲GD32F303 CAN的收发。首先我们需要了解GD32F303 CAN的结构框图：

可以看到，GD32F303是有3个发送邮箱和两个深度为3的接收FIFO，下面我们分别介绍数据发送和数据接收。

• 数据发送

发送寄存器的框图：

三个发送邮箱对于三组发送寄存器TMIx、TMPx、TMDATA0x和TMDATA1x（x=0,1,2）：

发送邮箱标识符寄存器（CAN_TMIx）

发送邮箱属性寄存器(CAN_TMPx)：

发送邮箱 data0 寄存器（CAN_TMDATA0x）：

发送邮箱 data1 寄存器（CAN_TMDATA1x）：

当需要发送数据时，选择一个空闲（empty）的邮箱（读取CAN_TSTAT寄存器获取），然后将该邮箱对应TMIx、TMPx、TMDATA0x和TMDATA1x寄存器填好后，使能TMIx的TEN位，寄存器中的数据就自动转移到邮箱。

实际上数据到邮箱后也不一定就马上发送到总线，因为有可能总线上正有数据发送，或者其他的邮箱中也有数据，这就涉及到CAN发送邮箱的调度：

当发送邮箱被填入新的数据后，邮箱状态从empty转到pending状态。当超过1个邮箱处于pending状态时，需要对多个邮箱进行调度，这时发送邮箱处于scheduled状态。当调度完成后，发送邮箱中的数据开始向CAN总线上发送，这时发送邮箱处于transmit状态。当数据发送完成，邮箱变为空闲，可以再次交给应用程序使用，这时发送邮箱重新变为empty状态。

发送邮箱状态转换图：

当多个发送邮箱处于等待状态下时，可以通过CAN_CTL的TFO位的值可以决定发送顺序：

当TFO为1，所有等待发送的邮箱按照先来先发送（FIFO）的顺序进行。

当TFO为0，具有最小标识符（Identifier）的邮箱最先发送。如果所有的标识符（Identifier）相等，具有最小邮箱编号的邮箱最先发送。

• 数据接收

接收寄存器的框图：

两个接收FIFO对应了两组接收寄存器RFIFOMIx，RFIFOMPx，RFIFOMDATA0x和RFIFOMDATA1x（x=0,1）：

接收 FIFO 邮箱标识符寄存器（CAN_RFIFOMIx）：

接收 FIFO 邮箱属性寄存器（CAN_RFIFOMPx） ：

接收 FIFO 邮箱data0寄存器（CAN_RFIFOMDATA0x） ：

接收 FIFO 邮箱data1寄存器（CAN_RFIFOMDATA1x） ：

当总线上报文通过CAN接收过滤器后（过滤器需要设置对应的FIFO号），数据就会保存到接收邮箱中，每个接收FIFO包含3个接收邮箱，用来接收存储数据帧。这些邮箱按照先进先出方式进行组织，最早从CAN网络接收的数据，最早被应用程序处理。

寄存器CAN_RFIFOx包含FIFO状态信息和帧的数量。当FIFO中包含数据时，可以通过寄存器CAN_RFIFOMIx，CAN_RFIFOMPx，CAN_RFIFOMDATA0x和CAN_RFIFOMDATA1x读取数据，之后将寄存器CAN_RFIFOx的RFD置1释放邮箱。

用户可以通过读取寄存器CAN_RFIFOx来获取FIFO的一些信息，比如接收FIFO中目前还有多少个邮箱内容没有被读取，是否有FIFO溢出的情况等。关于溢出时的处理方式，可以通过CAN_CTL寄存器的RFOD位来进行设置（读者可阅读GD32F30x用户手册来查看相关寄存器含义）。

30.2.9GD32F303 CAN工作模式

CAN 总线控制器有3种工作模式：

• 睡眠工作模式；
• 初始化工作模式；
• 正常工作模式。

睡眠工作模式

芯片复位后， CAN总线控制器处于睡眠工作模式。该模式下CAN总线控制器的时钟停止工作并处于一种低功耗状态。

将CAN_CTL寄存器的SLPWMOD位置1，可以使CAN总线控制器进入睡眠工作模式。 当进入睡眠工作模式后，CAN_STAT寄存器的SLPWS位将被硬件置1。

将CAN_CTL寄存器的AWU位置1，并当CAN检测到总线活动时，CAN总线控制器将自动退出睡眠工作模式。将CAN_CTL寄存器的SLPWMOD位清0，也可以退出睡眠工作模式。

由睡眠模式进入初始化工作模式：将CAN_CTL寄存器的IWMOD位置1，SLPWMOD位清0。

由睡眠模式进入正常工作模式：将CAN_CTL寄存器的IWMOD位和SLPWMOD位清0。

初始化工作模式

如果需要配置 CAN 总线通信参数，CAN总线控制器必须进入初始化工作模式。将CAN_CTL寄存器的IWMOD位置1，使CAN总线控制器进入初始化工作模式，将其清0则离开初始化 工作模式。在进入初始化工作模式后，CAN_STAT寄存器的IWS位将被硬件置1。

由初始化模式进入睡眠模式： CAN_CTL 寄存器的SLPWMOD位置1，IWMOD位清0。

由初始化模式进入正常工作模式： CAN_CTL 寄存器的SLPWMOD位和IWMOD位清0。

正常工作模式
在初始化工作模式中配置完CAN 总线通信参数后，将CAN_CTL寄存器的IWMOD位清0可以进入正常工作模式并与CAN总线网络中的节点进行正常通信。

由正常工作模式进入睡眠工作模式： CAN_CTL 寄存器的SLPWMOD位置1，并等待当前数据收发过程结束。

由正常工作模式初始化工作模式： CAN_CTL 寄存器的IWMOD位置1，并等待当前数据收发过程结束。

30.2.10GD32F303 CAN通信模式

CAN 总线控制器有4种通信模式：

• 静默（Silent）通信模式；
• 回环（Loopback）通信模式；
• 回环静默（Loopback and Silent）通信模式；
• 正常（Normal）通信模式。

静默（Silent）通信模式

在静默通信模式下，可以从 CAN 总线接收数据，但不向总线发送任何数据。将CAN_BT寄存器中的SCMOD位置1，使CAN总线控制器进入静默通信模式，将其清0可以退出静默通信模式。

静默通信模式可以用来监控CAN 网络上的数据传输。

回环（Loopback）通信模式

在回环通信模式下，由 CAN 总线控制器发送的数据可以被自己接收并存入接收FIFO，同时这些发送数据也送至CAN网络。将CAN_BT寄存器中的LCMOD位置1，使CAN总线控制器进入回环通信模式，将其清0可以退出回环通信模式。本实验中就用到了CAN的回环通讯模式。

回环通信模式通常用来进行CAN 通信自测。

回环静默（Loopback and Silent）通信模式

在回环静默通信模式下， CAN 的RX和TX引脚与CAN网络断开。CAN总线控制器既不从CAN网络接收数据，也不向CAN网络发送数据，其发送的数据仅可以被自己接收。将CAN_BT寄存器中的LCMOD位和SCMOD位置1，使CAN总线控制器进入回环静默通信模式，将它们清0可以退出回环静默通信模式。

回环静默通信模式通常用来进行CAN 通信自测。对外TX引脚保持隐性状态（逻辑1），RX引脚保持高阻态。

正常（Normal）通信模式

CAN 总线控制器通常工作在正常通信模式下，可以从CAN总线接收数据，也可以向CAN总线发送数据。这时需要将CAN_BT寄存器的LCMOD位和SCMOD位清0。

30.3硬件设计

本实验CAN的硬件设计如下：

30.4代码解析

30.4.1CAN 配置函数

在driver_can.c中定义了driver_can_config函数，用于CAN的基本参数和过滤器配置：

其中波特率CAN_BAUDRATE在driver_can.h中预定义：

30.4.2CAN 发送函数

在driver_can.c中定义了CAN发送函数：

30.4.3CAN中断接收函数

在bsp_can.c中定义了CAN FIFO0和FIFO1的中断接收处理函数：

30.4.4main函数实现

main函数实现如下：

BSP_CAN实参结构体初始化在bsp_can.c中：

main函数中实现的功能是每隔1s，分别发送帧ID为0x300,0x500和0x400的文到CAN总线，每帧发送两个数据，数据结构体初始化在bsp_can.c中：

因为使用了回环模式，故发送的报文同时也会被CAN接收，而由于过滤器的配置，ID为0x300的会被接收到FIFO0中，ID为0x500的会被接收到FIFO1中，而ID为0x400的由于无法通过过滤器，被CAN舍弃。

30.5实验结果

使用USB-TypeC线，连接电脑和板上USB to UART口后，配置好串口调试助手，即可看到CAN发送和接收数据的情况：

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