2023暑假电控组培训第四讲——CAN

• 前言
  在RoboMaster比赛中，无论是电机驱动还是板间通信，CAN通信都发挥了极其重要的作用，但是相比于其它基本知识，CAN是一个相对而言比较复杂的通讯协议，有着更多的特性需要去记忆，也因此成为了很多RMer电控入门阶段的美好回忆，本篇文章将从理论出发，结合实践，讲解如何使用CAN通信。
• 什么是CAN通信？
  CAN 是控制器域网 (Controller Area Network, CAN) 的简称，是由研发和生产汽车电子产 品著称的德国 BOACH 公司开发，并最终成为国际标准（ISO11898），CAN 是国际上应用 最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌 入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以 CAN 为底层协议专为大型货车和重工机械车 辆设计的 J1939 协议。近年来，它具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强及振动大的工业环境。
• 理论部分
  • 硬件层面

    • 信息传递方式——差分信号​​
      
      CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现，总线电平分为显性电平和隐性电平。
      
      这样，通过采用两种互补的逻辑数值"显性"和"隐性"的方法，用"显性"数值表示逻辑"0"，而"隐性"表示逻辑"1"。从而，CAN总线仅通过CAN_H与CAN_L两条线即可实现信息的传递。
      这时我们可以联想到之前学过的另一种通信方式UART

      	CAN	UART
      比赛中应用	板间通信，大多数电机驱动	与操作手通信
      总线结构	多主机、多从机的总线结构，其中多个节点可以同时发送和接收消息	点对点连接，只有一个发送器和一个接收器
      通信速率	支持高速传输，可以实现较高的数据速率，1 Mbps或更高	低速通信，通常在几十 kbps 到几 Mbps 的范围内
      数据帧格式	使用帧格式来发送和接收数据，其中包括标识符、数据和检验位	异步通信，使用起始位、数据位、校验位和停止位来传输数据
      可靠性和冲突处理	具有较高的可靠性和抗干扰能力，可以检测和处理冲突，确保数据的完整性和正确性	较为简单，没有内置的错误检测和冲突处理机制

      部分内容将会在下面详细讲解

    • 帧仲裁
      在编写控制程序时，我们往往需要处理来自多个传感器或上位机的数据，那么当我们用CAN传递信息时，如果多个模块同时向我们反馈信息，如果不对顺序进行安排，数据将会混在一起无法解算。这种情况下就需要进行仲裁，判断哪个设备可以占用总线，而其他设备要转变为接收或者等待。

      CAN的仲裁机制巧妙地利用了差分信号的特性，即显性电平覆盖隐形电平的特性，如果出现多个设备同时发送的情况，则先输出隐形电平的设备会失去对总线的占有权。下图中D为显性电平，R为隐形电平，通过该图可以很容易地理解CAN的仲裁机制。
      

    • 波特率

      CAN有着很高的通讯速率，通过查阅手册可知，一般RM系列电调的通讯速率为1Mbps，只有波特率一致的情况下，主控才能成功与电调进行通讯，CAN的通讯速率的决定因素包括以下四点：

      • 同步段 (SYNC_SEG) ：位变化应该在此时间段内发生。只有一个时间片的固定长度 (1 x tq )

      • 位段 1(BS1) ：定义采样点的位置。其持续长度可以在 1 到 16 个时间片之间调整

      • 位段 2(BS2) ：定义发送点的位置。其持续长度可以在 1 到 8 个时间片之间调整

      • 同步跳转宽度（ SJW ）：定义位段加长或缩短的上限。它可以在 1 到 4 个时间片之间调整
      
      CAN 总线波特率和 tq (Time Quantum)，tBS1 (Time Quanta in Bit Segment 1)和 tBS2 (Time Quanta in Bit Segment 1) 的值直接相关，tq 通过总线分频后直接得到，tBS1和 tBS2 则通过 TS1 和 TS2 放大为 tq 的若干倍，需要注意的是下图中 tBS1 和 tBS2 的计 算是通过 tq(TS1+1)和 tq(TS2+1)得到的，而在 CubeMX 中，我们配置的 Time Quanta in Bit Segment 的值对应的就是 (TS1+1)和(TS2+1)。至于CAN究竟挂在哪个总线上就需要查阅数据手册了

  • 软件层面

    • 过滤器
      把CAN总线看作是一个兵种组，每天会为组员安排不同任务，但是队员们并不是每个人都要做全部工作的，不加区分地把数据传给每一个人只会导致工作的混乱。因此我们可以在任务前面加上标识，如电控任务，机械任务，电路任务，视觉任务让每个人只接收自己技术组的任务，而直接过滤掉与自己无关的工作

      事实上，bxCAN的过滤器就是采用上述方法，你只需要设置好你感兴趣的那些CAN报文ID，那么MCU就只能收到这些CAN报文，是从硬件上过滤掉，完全不需要软件参与进来，从而节省了大大节省了MCU的时间，可以更加专注于其他事务，这个就是bxCAN过滤器的意义所在。

      CAN的过滤器模式分为掩码模式和列表模式。

      • 列表模式

        简单来说就是制作一张ID表，如果来的数据的ID在这张表中则接收，否则不收。

      • 掩码模式

        假设某学校的学工号是 入学年份+学生序号，那么，我想要确定学生的年级的话只需要看学工号就可以了，但是为了省事，其实我们完全可以把学工号后面的序号忽略，只看前面的入学年份部分。这就是掩码模式。

    • 标准数据帧

      CAN的一个标准数据帧包括以下几个部分
      

      • 仲裁场
        
        仲裁场包括12位标识符，作用在前面帧仲裁处已进行讲解
      • 控制场
        
        仲裁场后跟随的是控制场，存放数据长度DLC，数据场中要填写CAN发送的数据
• 实践部分

  • CUBE配置

    1.选择外部高速晶振

    2.Debug选Serial Wire

    3.配置时钟树

    接下来结合时钟树讲解一下波特率的计算配置
    
    经查阅，我们知道STM32F407IGHX的CAN挂在APB1总线上，因此我们在时钟树上找到APB1，外设频率为42MHz。

    打开CAN
    
    此时我们设的预分频（Prescaler）为3，所以$$t_q=\frac{1}{f}=\frac{1}{\frac{42MHz}{3}}=\frac{1}{14}ns$$

    因而，由理论部分的公式求得：波特率（Baud Rate）Rb=1000000bit/s.
    
    选取工作模式为 Normal
    
    关于各种工作模式，介绍如下：

    工作模式	模式说明	详细说明
    Normal	正常模式	可发可收
    Loopback	回环模式	自发自收
    Silent	静默模式	只收不发
    Loopback combine with Silent	回环静默模式	略
    记得打开中断以接收。

  • 代码部分

    • 发送初始化

      • 变量含义

        StdId：CAN总线消息的标准ID

        IDE：指定CAN总线消息的标识符扩展位

        RTR：指定CAN总线消息的远程传输请求位

        DLC：指定CAN总线消息的数据长度码

          chassis_tx_message.StdId = 0x222; //标准ID
          chassis_tx_message.StdId = 0x222; //标准ID
          chassis_tx_message.RTR = CAN_RTR_DATA;//设置了远程传输请求位
          chassis_tx_message.IDE = CAN_ID_STD;//使用了标准的11位标识符
          chassis_tx_message.DLC = 0x08;    //8字节长
        

    • 接收初始化

          CAN_FilterTypeDef CAN_FilterType;
          CAN_FilterType.FilterBank=0;                        //使用0号过滤器                   
          CAN_FilterType.FilterIdHigh=0x0000;                 //设置验证码高低各4字节
          CAN_FilterType.FilterIdLow=0x0000;
          CAN_FilterType.FilterMaskIdHigh=0x0000;             //设置屏蔽码高低各4字节
          CAN_FilterType.FilterMaskIdLow=0x0000;
          CAN_FilterType.FilterFIFOAssignment=CAN_RX_FIFO0;   //通过CAN的信息放入0号FIFO
          CAN_FilterType.FilterMode=CAN_FILTERMODE_IDMASK;    //采用掩码模式
          CAN_FilterType.FilterScale=CAN_FILTERSCALE_32BIT;   //设置32位宽
          CAN_FilterType.FilterActivation=ENABLE;             //激活滤波器
          CAN_FilterType.SlaveStartFilterBank=14;
          HAL_CAN_ConfigFilter(hcan, &CAN_FilterType);        //配置过滤器
          HAL_CAN_Start(hcan);                                //开启CAN总线
          HAL_CAN_ActivateNotification(hcan,CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);//激活CAN接收
      

    • 发送函数

      HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_AddTxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[], uint32_t *pTxMailbox)
      

      函数名	HAL_CAN_AddTXMessage
      函数功能	将一段数据通过 CAN 总线发送
      返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL 库定义的几种状态，如果本次 CAN 发送成功， 则返回 HAL_OK
      参数1	CAN_HandleTypeDef *hcan，即 can 的句柄指针，如果是 can1 就输入&hcan1，can2 就输入&hcan2
      参数2	CAN_TxHeaderTypeDef *pHeader，待发送的 CAN 数据帧信息的结构体指 针，包含了 CAN 的 ID，格式等重要信息
      参数3	uint8_t aData[]，装载了待发送的数据的数组名称
      参数4	uint32_t *pTxMailbox，用于存储 CAN 发送所使用的邮箱号

      实例：队内CAN发送函数

      /**
          * @brief      向CAN总线发送信息
          * @param      phcan: 指向CAN句柄的指针
          * @param      txdata: 要发送的信息
          * @retval     无
          */
          void Can_SendMessage(CAN_HandleTypeDef* phcan, CAN_TxHeaderTypeDef* pheader, uint8_t txdata[])
          {
              uint32_t mailbox;
              /* Start the Transmission process */
              uint32_t ret = HAL_CAN_AddTxMessage(phcan, pheader, txdata, &mailbox);
              if (ret != HAL_OK) {
                  /* Transmission request Error */
              
                      Can_Error_Source = 5;
                      Can_Error_Message_Header = *pheader;
                      Can_ErrorHandler(ret);
              }
          }
      

    • 接收函数

      HAL_StatusTypeDef HAL_CAN_GetRxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan, uint32_t RxFifo, CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader, uint8_t aData[]) 
      

      函数名	HAL_CAN_GetRxMessage
      函数功能	接收 CAN 总线上发送来的数据
      返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL 库定义的几种状态，如果本次 CAN 接收成功， 则返回 HAL_OK
      参数1	CAN_HandleTypeDef *hcan，即 can 的句柄指针，如果是 can1 就输入&hcan1，can2 就输入&hcan2
      参数2	uint32_t RxFifo,接收时使用的 CAN 接收 FIFO 号，一般为 CAN_RX_FIFO0
      参数3	CAN_RxHeaderTypeDef *pHeader，存储接收到的 CAN 数据帧信息的结构 体指针，包含了 CAN 的 ID，格式等重要信息
      参数4	uint8_t aData[]，存储接收到的数据的数组名称

      实例：CAN接收电机反馈值

      void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) 
      {
          
      HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &chassis_rx_message, rxData);
      int i = (int)chassis_rx_message.StdId - 0x204 - 1;
      wheelrxdata.rxangle[i] = ((rxData[0]<<8) | rxData[1]);
          wheelrxdata.rxspeed[i] = ((rxData[2]<<8) | rxData[3]);
          wheelrxdata.rxI[i] = ((rxData[4]<<8) | rxData[5]);
          wheelrxdata.rxT[i] = rxData[6];
      return;
      }
      

    • 总结：

      使用CAN通信的基本思路：

      • 按需求初始化发送/接收（一般是两者兼有）
      • 开启发送函数
      • 书写中断回调函数
      • 得到数据，对数据进行处理以进行进一步操作