30.1實驗內容

通過本實驗主要學習以下內容：

• CAN的簡介
• GD32F303 CAN工作原理
• 通過CAN實現回環收發

30.2實驗原理

30.2.1CAN概述

CAN 是Controller Area Network的縮寫，是由德國BOSCH公司開發的，已成為ISO國際標準化的串行通信協議。其主要應用場合為汽車和工業控制。CAN具有傳輸距離長，傳輸可靠、強大的糾錯機制等特點，其高性能和可靠性已被廣泛認同，現在已經成為汽車、工業自動化、醫療設備等領域應用最廣泛的總線之一。

30.2.2CAN總線拓撲

CAN總線拓撲圖如下：

CAN 控制器根據兩根線上的電位差來判斷總線電平，一般將兩根線分別命名為CAN_H和CAN_L。總線電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發送方通過使總線電平發生變化，將消息發送給接收方。 當CAN總線上的電位差為0V時，表示隱性電平，隱性電平代表邏輯“1”；當CAN總線上有電位差時（大概在2.5V左右），表示顯性電平，顯性電平代表邏輯“0”。總線空閑時，默認為隱性電平，即總線電位差為0。

CAN總線的特點可以總結為：

1. 多主

與USART-485這種一主多從類型總線不同，CAN總線是多主控制，即總線上沒有主機從機之分，所有設備都是處于平等的地位。

1. 消息格式

CAN總線上的消息都以固定格式發送。當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。

1. 通信速度快，通信距離遠

CAN最高可達1Mbps波特率，理論最遠距離可達10Km，當然此時通訊速率較低，只有5Kbps以下。

1. 具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能

CAN總線具有強大的錯誤檢測、通知和恢復功能。當一個單元發生錯誤時其他單元會進行報錯，正在發送的單元檢測到錯誤后，會立即強制結束當前發送，并嘗試重新發送（功能可配置），當發送錯誤的次數達到一定值后，該單元會自動從總線中退出，直到應用程序讓其重新加入總線為止。

1. 半雙工異步通訊

CAN的總線的查分信號，決定了CAN總線實際為半雙工通訊，另外由于CAN總線沒有時鐘線，所以是異步通訊，故要求CAN總線上的所有單元的波特率都要設置一致。

30.2.3CAN幀的種類

CAN總共有如下五種類型的幀種類：

• 數據幀

用于數據傳輸的幀，也是最常用的一種幀種類

• 遙控幀

接收單元向具有相同ID的發送單元請求數據時所需要的幀種類

• 錯誤幀

一種非常重要的幀種類，錯誤幀是當總線上有錯誤時，檢測到錯誤的單元向其他單元通知錯誤的幀。

• 過載幀

用于接收單元通知其他單元其還沒有準備好的幀種類

• 幀間隔

用于幀和幀之間分離的幀

30.2.4CAN協議的解析

介紹了CAN的一些基本指示后，可能讀者還是不太明白幀ID是什么，CAN的發送和接收是怎么實現的，是否就像串口一樣發送數據就可以？實際上CAN需要遵循CAN協議，這樣每個CAN單元才可以準確無誤的發送和接收數據，CAN強大的錯誤檢測、錯誤通知等機制也是依托于標準CAN協議。下面以數據幀來解析下CAN的協議。

數據幀的格式如下圖，其中D表示顯性位，即邏輯“0”，R表示隱性位，即邏輯“1”，D/R表示隱性位或顯性位，另外下圖中的數字表示bit位數：

• 幀開始

每次CAN通訊都始于幀開始段，幀開始是1個bit位的顯性電平（邏輯“0”），由發送方發出，接收方檢測到一個bit邏輯“0”，開始準備接收數據。

• 仲裁段

好了，我們終于看到了幀ID的廬山真面目了。數據幀分為兩種——標準幀和擴展幀，標準幀的幀ID由11bit組成，擴展幀有11+18共29bit組成。需要注意，無論是標準幀ID還是擴展幀ID，都不允許設置最高7bit為1（即不允許幀ID=0b,1111111xxx··），以為幀結束段就是7個“1”組成。

沖裁段中的 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。

我們需要先明確一個概念，CAN總線上的每個單元并不是只能發送固定幀ID，而是可以發送任意幀ID，幀ID不代表CAN設備號，代表的是當前數據幀/遠程幀的ID號。當一幀數據發送到總線后，所有接收方會對幀ID進行識別，當識別到是自己需要的ID時，則會將該幀數據收取到內部；而當識別到不是自己需要的ID時，則不會接收數據。

因為有可能出現兩個或更多CAN單元同時發送數據的情況，此時幀ID還起到仲裁的作用，各發送單元從幀ID的第一位開始進行仲裁。連續輸出顯性電平最多的單元可繼續發送，比如兩個CAN單元同時發送數據，其中單元一發出的數標準幀的ID為0b,00110000000，而單元二發出的標準幀ID為0b,00100000000，可以看到發送到第4位時，單元一發出的是邏輯“1”，單元二的是邏輯“0”，因為總線上“0”比“1”優先級搞，所以此時單元二獲得總線發送權，單元一將自動停止發送。

• 控制段

控制段由6個bit組成，其中DLC占用4個bit，表示要發送的字節數。

• 數據段

數據段即幀載有的有效數據了，CAN最多一次可發送8個字節（CANFD最多可以發送64字節，這個后面介紹帶CANFD功能的開發板時再細說），也就是說上面描述的DLC最大值為0b,1000。

• CRC段

CRC段總共有16bit，其中15個bit表示CRC值，另1個bit為CRC界定符。此段CRC的值計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數據段。發送會根據發送的數據來計算出一個CRC值并通過CRC段發到總線，接收方以同樣的算法計算CRC值并和發送方發出的CRC段進行比較，當不一致時接收方會向總線報錯。

• ACK段

ACK段用來確認接收方是否正常接收。ACK段由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2個位組成。

發送單元的 ACK，發送2個位的隱性位，而接收到正確消息的單元在ACK槽（ACK Slot）發送顯性位，通知發單元正常接收結束，這個過程叫發送ACK/返回ACK。發送ACK的是在既不處于總線關閉態也不處于休眠態的所有收單元中，接收到正常消息的單元（發送單元不發送ACK）。

• 幀結束

幀結束由7個bit的邏輯“1”組成，表示該幀結束。

30.2.5CAN的波特率

前面有提到CAN的波特率，波特率代表每秒鐘傳輸的位數（1位就表示1bit），我們來看下GD32F303的波特率是怎么計算的。

首先需要了解一個概念，CAN時序的最小單位是一個叫Tq的東西，CAN的每個位即每個bit是由若干個Tq組成的，那么這個Tq的長度是多少呢？GD32F303的CAN是掛載在APB1總線的：

如果讀者將GD32F303的主頻配置為最高120M，且將APB1的時鐘配置為最高60M的話，那么CAN的時鐘就是60M，然后CAN有個分頻系數，在位時序寄存器CAN_BT中：

一個Tq占用的時間計算公式：分頻系數/CAN時鐘，舉個例子，我們設置這個分頻系數為6的話，一個Tq的時間就是6/60M = 100us，也可以說Tq的傳輸速率為10M。那么由多少個Tq組成CAN的一個位呢？還是看CAN_BT寄存器：

寄存器中有BS1和BS2，這兩個位域用于設置位段1和位段2（關于位段后面會介紹），一個CAN位占用的Tq個數等于位段1+位段2+1，舉個例子，設置位段1為5（即BS1=4），設置位段2為4（即BS2=3），那么一個CAN位占用的Tq個數為5+4+1=10。好，現在就可以來算CAN的波特率了，按照CAN分頻系數為6，位段1為5，位段2為4，一個位占用的時間為6/60M*10 = 1ms，也就是波特率=1M。我們可以把這個計算轉化為公式：

30.2.6CAN的位時序和采樣點

我們現在來看下上一節提到的位段1和位段2。CAN總線控制器將位時間分為3個部分。

• 同步段（Synchronization segment），記為SYNC_SEG。該段占用1個時間單元（1 ×????）。
• 位段1（Bit segment 1），記為BS1。該段占用1到16個Tq（由位時序寄存器配置）。相對于CAN協議而言，BS1相當于傳播時間段（Propagation delay segment）和相位緩沖段1（Phase buffer segment 1）。
• 位段2（Bit segment 2），記為BS2。該段占用1到8個Tq（由位時序寄存器配置）。相對于CAN協議而言，BS2相當于相位緩沖段2（Phase buffer segment 2）。

位時序圖：

說完位時序我們來介紹下GD32F303的采樣點。

對于接收方來說，需要對發送方發出的每個bit進行采樣，那么具體是采樣哪個點呢？按照CAN標準來說，采樣點為BS1和BS2的交界處，即：

而GD32F303為了更好的容錯性，會在標準采樣點前一個以及前前一個Tq加了兩個采樣點，取兩個有效位，所以GD32F303的采樣點為：

如果三個采樣點分別采樣到的為010，則認為該位為“1”。

30.2.7GD32F303 CAN過濾器

前面提到CAN節點發送數據的時候，幀ID是任意的，那么接收方是不是任意ID都可以接收呢？當然是可以的，但一般不會這么做，一個CAN節點一般只接收一個ID或幾個ID的報文，那么如何實現呢？這就要介紹CAN的過濾器了，只有總線上的報文幀ID通過了CAN節點的過濾，才會被接收。

GD32F303共有14個過濾器組（對于互聯性GD32F305/F307，是28個過濾器組），每個過濾器組有兩個過濾器寄存器。程序中需要設置過濾器對應哪個接收FIFO（接收FIFO會在下一節中介紹）。

GD32F303過濾器（x） 數據（y） 寄存器（CAN_FxDATAy）（x= 0...13, y = 0,1）（ 僅CAN0可用）：

過濾器可以配置為2種位寬：32-bit位寬和16-bit位寬。32-bit位寬CAN_FDATAx包含字段：SFID[10:0]，EFID[17:0]，FF和FT。

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

過濾器可以設置為兩種模式——掩碼模式和列表模式：

• 掩碼模式

對于一個待過濾的數據幀的標識符（Identifier），掩碼模式用來指定哪些位必須與預設的標識符相同，哪些位無需判斷。掩碼模式有兩種位寬：32bit和16bit。

一個 32-bit 位寬掩碼模式過濾器如下：

可以看到，在掩碼模式下，FDATA0用于目標ID，FDATA1用于Mask。舉個例子，設置FDATA0為0x55550000，FDATA1為0xFF00FF00（第31~24以及第15~8位為1），那么意味著總線上的報文ID的第31~24以及第15~8位必須和FDATA0相應位相同，就可以通過這個過濾器，而其他位則不需要關心，也就是說幀ID為0x55xx00xx可以通過過濾器。

明白了32bit掩碼模式過濾器，16位位寬就很好理解了。一個16-bit位寬掩碼模式過濾器如下：

和32-bit的不用，16-bit位寬掩碼過濾器的ID為FDATA0的高16bit，Mask為FDATA0的低16bit，這也意味著16-bit位寬掩碼模式可以設置28個過濾ID掩碼類型。

• 列表模式

列表模式和掩碼模式不同，列表模式設置了一個個具體ID，只有和這些ID完全相同的幀才可以通過過濾器，同樣分成兩種位寬模式。

32-bit位寬列表模式過濾器：

16-bit位寬列表模式過濾器：

30.2.8GD32F303 CAN的發送和接收

通過上面的學習，我們已經基本了解了CAN的工作原理了，這節我們來講GD32F303 CAN的收發。首先我們需要了解GD32F303 CAN的結構框圖：

可以看到，GD32F303是有3個發送郵箱和兩個深度為3的接收FIFO，下面我們分別介紹數據發送和數據接收。

• 數據發送

發送寄存器的框圖：

三個發送郵箱對于三組發送寄存器TMIx、TMPx、TMDATA0x和TMDATA1x（x=0,1,2）：

發送郵箱標識符寄存器（CAN_TMIx）

發送郵箱屬性寄存器(CAN_TMPx)：

發送郵箱 data0 寄存器（CAN_TMDATA0x）：

發送郵箱 data1 寄存器（CAN_TMDATA1x）：

當需要發送數據時，選擇一個空閑（empty）的郵箱（讀取CAN_TSTAT寄存器獲取），然后將該郵箱對應TMIx、TMPx、TMDATA0x和TMDATA1x寄存器填好后，使能TMIx的TEN位，寄存器中的數據就自動轉移到郵箱。

實際上數據到郵箱后也不一定就馬上發送到總線，因為有可能總線上正有數據發送，或者其他的郵箱中也有數據，這就涉及到CAN發送郵箱的調度：

當發送郵箱被填入新的數據后，郵箱狀態從empty轉到pending狀態。當超過1個郵箱處于pending狀態時，需要對多個郵箱進行調度，這時發送郵箱處于scheduled狀態。當調度完成后，發送郵箱中的數據開始向CAN總線上發送，這時發送郵箱處于transmit狀態。當數據發送完成，郵箱變為空閑，可以再次交給應用程序使用，這時發送郵箱重新變為empty狀態。

發送郵箱狀態轉換圖：

當多個發送郵箱處于等待狀態下時，可以通過CAN_CTL的TFO位的值可以決定發送順序：

當TFO為1，所有等待發送的郵箱按照先來先發送（FIFO）的順序進行。

當TFO為0，具有最小標識符（Identifier）的郵箱最先發送。如果所有的標識符（Identifier）相等，具有最小郵箱編號的郵箱最先發送。

• 數據接收

接收寄存器的框圖：

兩個接收FIFO對應了兩組接收寄存器RFIFOMIx，RFIFOMPx，RFIFOMDATA0x和RFIFOMDATA1x（x=0,1）：

接收 FIFO 郵箱標識符寄存器（CAN_RFIFOMIx）：

接收 FIFO 郵箱屬性寄存器（CAN_RFIFOMPx） ：

接收 FIFO 郵箱data0寄存器（CAN_RFIFOMDATA0x） ：

接收 FIFO 郵箱data1寄存器（CAN_RFIFOMDATA1x） ：

當總線上報文通過CAN接收過濾器后（過濾器需要設置對應的FIFO號），數據就會保存到接收郵箱中，每個接收FIFO包含3個接收郵箱，用來接收存儲數據幀。這些郵箱按照先進先出方式進行組織，最早從CAN網絡接收的數據，最早被應用程序處理。

寄存器CAN_RFIFOx包含FIFO狀態信息和幀的數量。當FIFO中包含數據時，可以通過寄存器CAN_RFIFOMIx，CAN_RFIFOMPx，CAN_RFIFOMDATA0x和CAN_RFIFOMDATA1x讀取數據，之后將寄存器CAN_RFIFOx的RFD置1釋放郵箱。

用戶可以通過讀取寄存器CAN_RFIFOx來獲取FIFO的一些信息，比如接收FIFO中目前還有多少個郵箱內容沒有被讀取，是否有FIFO溢出的情況等。關于溢出時的處理方式，可以通過CAN_CTL寄存器的RFOD位來進行設置（讀者可閱讀GD32F30x用戶手冊來查看相關寄存器含義）。

30.2.9GD32F303 CAN工作模式

CAN 總線控制器有3種工作模式：

• 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

芯片復位后， CAN總線控制器處于睡眠工作模式。該模式下CAN總線控制器的時鐘停止工作并處于一種低功耗狀態。

將CAN_CTL寄存器的SLPWMOD位置1，可以使CAN總線控制器進入睡眠工作模式。 當進入睡眠工作模式后，CAN_STAT寄存器的SLPWS位將被硬件置1。

將CAN_CTL寄存器的AWU位置1，并當CAN檢測到總線活動時，CAN總線控制器將自動退出睡眠工作模式。將CAN_CTL寄存器的SLPWMOD位清0，也可以退出睡眠工作模式。

由睡眠模式進入初始化工作模式：將CAN_CTL寄存器的IWMOD位置1，SLPWMOD位清0。

由睡眠模式進入正常工作模式：將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 總線通信參數，CAN總線控制器必須進入初始化工作模式。將CAN_CTL寄存器的IWMOD位置1，使CAN總線控制器進入初始化工作模式，將其清0則離開初始化 工作模式。在進入初始化工作模式后，CAN_STAT寄存器的IWS位將被硬件置1。

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

由初始化模式進入正常工作模式： 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 總線通信參數后，將CAN_CTL寄存器的IWMOD位清0可以進入正常工作模式并與CAN總線網絡中的節點進行正常通信。

由正常工作模式進入睡眠工作模式： CAN_CTL 寄存器的SLPWMOD位置1，并等待當前數據收發過程結束。

由正常工作模式初始化工作模式： CAN_CTL 寄存器的IWMOD位置1，并等待當前數據收發過程結束。

30.2.10GD32F303 CAN通信模式

CAN 總線控制器有4種通信模式：

• 靜默（Silent）通信模式；
• 回環（Loopback）通信模式；
• 回環靜默（Loopback and Silent）通信模式；
• 正常（Normal）通信模式。

靜默（Silent）通信模式

在靜默通信模式下，可以從 CAN 總線接收數據，但不向總線發送任何數據。將CAN_BT寄存器中的SCMOD位置1，使CAN總線控制器進入靜默通信模式，將其清0可以退出靜默通信模式。

靜默通信模式可以用來監控CAN 網絡上的數據傳輸。

回環（Loopback）通信模式

在回環通信模式下，由 CAN 總線控制器發送的數據可以被自己接收并存入接收FIFO，同時這些發送數據也送至CAN網絡。將CAN_BT寄存器中的LCMOD位置1，使CAN總線控制器進入回環通信模式，將其清0可以退出回環通信模式。本實驗中就用到了CAN的回環通訊模式。

回環通信模式通常用來進行CAN 通信自測。

回環靜默（Loopback and Silent）通信模式

在回環靜默通信模式下， CAN 的RX和TX引腳與CAN網絡斷開。CAN總線控制器既不從CAN網絡接收數據，也不向CAN網絡發送數據，其發送的數據僅可以被自己接收。將CAN_BT寄存器中的LCMOD位和SCMOD位置1，使CAN總線控制器進入回環靜默通信模式，將它們清0可以退出回環靜默通信模式。

回環靜默通信模式通常用來進行CAN 通信自測。對外TX引腳保持隱性狀態（邏輯1），RX引腳保持高阻態。

正常（Normal）通信模式

CAN 總線控制器通常工作在正常通信模式下，可以從CAN總線接收數據，也可以向CAN總線發送數據。這時需要將CAN_BT寄存器的LCMOD位和SCMOD位清0。

30.3硬件設計

本實驗CAN的硬件設計如下：

30.4代碼解析

30.4.1CAN 配置函數

在driver_can.c中定義了driver_can_config函數，用于CAN的基本參數和過濾器配置：

其中波特率CAN_BAUDRATE在driver_can.h中預定義：

30.4.2CAN 發送函數

在driver_can.c中定義了CAN發送函數：

30.4.3CAN中斷接收函數

在bsp_can.c中定義了CAN FIFO0和FIFO1的中斷接收處理函數：

30.4.4main函數實現

main函數實現如下：

BSP_CAN實參結構體初始化在bsp_can.c中：

main函數中實現的功能是每隔1s，分別發送幀ID為0x300,0x500和0x400的文到CAN總線，每幀發送兩個數據，數據結構體初始化在bsp_can.c中：

因為使用了回環模式，故發送的報文同時也會被CAN接收，而由于過濾器的配置，ID為0x300的會被接收到FIFO0中，ID為0x500的會被接收到FIFO1中，而ID為0x400的由于無法通過過濾器，被CAN舍棄。

30.5實驗結果

使用USB-TypeC線，連接電腦和板上USB to UART口后，配置好串口調試助手，即可看到CAN發送和接收數據的情況：

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