15.CAN 模塊介紹

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，它是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準（ISO11519），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業(yè)環(huán)境。

15.1.CAN 基礎(chǔ)知識

CAN 物理層

與I2C、SPI等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有CAN_High和CAN_Low兩條信號線，共同構(gòu)成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。

閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

CAN物理層的形式主要有兩種，如下圖所示CAN閉環(huán)總線通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標準的高速、短距離“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120歐”的電阻。

開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

如下圖所示CAN開環(huán)總線通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11519-2標準的低速、遠距離“開環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個“2.2千歐”的電阻。

通訊節(jié)點

從CAN通訊網(wǎng)絡(luò)圖可了解到，CAN總線上可以掛載多個通訊節(jié)點，節(jié)點之間的信號經(jīng)過總線傳輸，實現(xiàn)節(jié)點間通訊。由于CAN通訊協(xié)議不對節(jié)點進行地址編碼，而是對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行編碼的，所以網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)理論上不受限制，只要總線的負載足夠即可，可以通過中繼器增強負載。

CAN通訊節(jié)點由一個CAN控制器及CAN收發(fā)器組成，控制器與收發(fā)器之間通過CAN_Tx及CAN_Rx信號線相連，收發(fā)器與CAN總線之間使用CAN_High及CAN_Low信號線相連。其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的類似TTL邏輯信號，而CAN_High及CAN_Low是一對差分信號線，使用比較特別的差分信號，下一小節(jié)再詳細說明。

當CAN節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制器把要發(fā)送的二進制編碼通過CAN_Tx線發(fā)送到收發(fā)器，然后由收發(fā)器把這個普通的邏輯電平信號轉(zhuǎn)化成差分信號，通過差分線CAN_High和CAN_Low線輸出到CAN總線網(wǎng)絡(luò)。而通過收發(fā)器接收總線上的數(shù)據(jù)到控制器時，則是相反的過程，收發(fā)器把總線上收到的CAN_High及CAN_Low信號轉(zhuǎn)化成普通的邏輯電平信號，通過CAN_Rx輸出到控制器中。

例如，GD32的CAN片上外設(shè)就是通訊節(jié)點中的控制器，為了構(gòu)成完整的節(jié)點，還要給它外接一個收發(fā)器，在GD32E103V-EVAL V1.0開發(fā)板上使用型號為SN65HVD230的芯片作為CAN收發(fā)器。

CAN控制器與CAN收發(fā)器的關(guān)系如同TTL串口與MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片的關(guān)系，MAX3232芯片把TTL電平的串口信號轉(zhuǎn)換成RS-232電平的串口信號，CAN收發(fā)器的作用則是把CAN控制器的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號(或者相反)。

差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統(tǒng)使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示 邏輯0和邏輯1。如下圖所示差分信號使用了V+與V-信號的差值表達出了圖下方的信號。

相對于單信號線傳輸?shù)姆绞?，使用差分信號傳輸具有如下?yōu)點：

1. 抗干擾能力強，當外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關(guān)心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

2. 能有效抑制它對外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

3. 時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。

由于差分信號線具有這些優(yōu)點，所以在USB協(xié)議、485協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議及CAN協(xié)議的物理層中，都使用了差分信號傳輸。

CAN 協(xié)議中的差分信號

CAN協(xié)議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規(guī)定，見下表CAN協(xié)議標準表示的信號邏輯及下圖CAN差分信號（高速）所示。以高速CAN協(xié)議為例，當表示邏輯1時(隱性電平)，CAN_High和CAN_Low線上的電壓均為2.5v，即它們的電壓差VH-VL=0V；而表示邏輯0時(顯性電平)，CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為1.5V，即它們的電壓差為VHVL=2V。例如，當CAN收發(fā)器從CAN_Tx線接收到來自CAN控制器的低電平信號時(邏輯0)，它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0。

CAN協(xié)議標準表示的信號邏輯

輸入鏈接說明

CAN 差分信號（高速）

在 CAN 總線中，必須使它處于隱性電平(邏輯 1)或顯性電平(邏輯 0)中的其中一個狀態(tài)。假如有兩個 CAN 通訊節(jié)點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似 I2C 總線的“線 與”特性將使它處于顯性電平狀態(tài)，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優(yōu)先的意味。

由于 CAN 總線協(xié)議的物理層只有 1 對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節(jié)點來說，CAN 通訊是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)需要分時進行。在 CAN 的通訊網(wǎng)絡(luò)中，因為共用總線，在整個網(wǎng)絡(luò)中同一時刻只能有一個通訊節(jié)點發(fā)送信號，其余的節(jié)點在該時刻都只能接收。

CAN 協(xié)議層

以上是 CAN 的物理層標準，約定了電氣特性，以下介紹的協(xié)議層則規(guī)定了通訊邏輯。

CAN 的波特率及位同步

由于CAN屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點會像串口異步通訊那樣，節(jié)點間使用約定好的波特率進行通訊，特別地，CAN還會使用“位同步”的方式來抗干擾、吸收誤差，實現(xiàn)對總線電平信號進行正確的采樣，確保通訊正常。

位時序分解

為了實現(xiàn)位同步，CAN 協(xié)議把每一個數(shù)據(jù)位的時序分解成如下圖 CAN 位時序分解圖所示的 SS段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，這四段的長度加起來即為一個 CAN 數(shù)據(jù)位的長度。分解后最小的時間單位是 Tq，而一個完整的位由 8~25 個 Tq 組成。為方便表示，CAN 位時序分解圖中的高低電平直接代表信號邏輯 0 或邏輯 1(不是差分信號)。

該圖中表示的 CAN 通訊信號每一個數(shù)據(jù)位的長度為 19Tq，其中 SS 段占 1Tq，PTS 段占 6Tq，PBS1 段占 5Tq，PBS2 段占 7Tq。信號的采樣點位于 PBS1 段與 PBS2 段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進行偏移，以便準確地采樣。

各段的作用介紹如下：

SS段(SYNC SEG)

SS 譯為同步段，若通訊節(jié)點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在 SS 段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點與總線的時序是同步的，當節(jié)點與總線同步時，采樣點采集到的總線電平即可被確定為該位的電 平。SS 段的大小固定為 1Tq。

PTS段(PROP SEG)

PTS 譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網(wǎng)絡(luò)的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅(qū)動器延時總和的兩倍。PTS 段的大小可以為 1~8Tq。

PBS1段(PHASE SEG1)

PBS1 譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1 段的初始大小可以為 1~8Tq。

PBS2段(PHASE SEG2)

PBS2 這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2 段的初始大小可以為 2~8Tq。

通訊的波特率

總線上的各個通訊節(jié)點只要約定好1個Tq的時間長度以及每一個數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個Tq，就可以確定CAN通訊的波特率。

例如，假設(shè)圖5-53中的1Tq=1us，而每個數(shù)據(jù)位由19個Tq組成，則傳輸一位數(shù)據(jù)需要時間T1bit =19us，從而每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個數(shù)為：

1x106/19 = 52631.6 (bps)

這個每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的個數(shù)即為通訊中的波特率。

同步過程分析

波特率只是約定了每個數(shù)據(jù)位的長度，數(shù)據(jù)同步還涉及到相位的細節(jié)，這個時候就需要用到數(shù)據(jù)位內(nèi)的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。

根據(jù)對段的應(yīng)用方式差異，CAN 的數(shù)據(jù)同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當存在“幀起始信號”時起作用，無法確保后續(xù)一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這 兩種方式具體介紹如下：

（1）硬同步

若某個 CAN 節(jié)點通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會發(fā)送一個表示通訊起始的信號(即下一小節(jié)介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到 CAN 總線上的通訊節(jié)點在不發(fā)送數(shù)據(jù)時， 會時刻檢測總線上的信號。

下圖硬同步過程圖所示，可以看到當總線出現(xiàn)幀起始信號時，某節(jié)點檢測到總線的幀起始信號不在節(jié)點內(nèi)部時序的 SS 段范圍，所以判斷它自己的內(nèi)部時序與總線不同步，因而這個狀態(tài)的采樣點采集得的數(shù)據(jù)是不正確的。所以節(jié)點以硬同步的方式調(diào)整，把自己的位時序中的 SS 段平移至總線出現(xiàn)下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點就可以采集得正確數(shù)據(jù)了。

（2）重新同步

前面的硬同步只是當存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數(shù)據(jù)內(nèi)，節(jié)點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數(shù)據(jù)位的高至低電平的跳變沿來同步(幀起始信號是特殊的跳變沿)。重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用 SS 段來進行檢測，同步的目的都是使節(jié)點內(nèi)的 SS 段把跳變沿包含起來。

重新同步的方式分為超前和滯后兩種情況，以總線跳變沿與 SS 段的相對位置進行區(qū)分。第一種相位超前的情況如下圖所示，相位超前時的重新同步，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內(nèi)部的時序比總線的時序相對超前2Tq，這時控制器在下一個位時序中的PBS1段增加2Tq的時間長度，使得節(jié)點與總線時序重新同步。

相位超前時的重新同步

第二種相位滯后的情況如下圖所示，相位滯后時的重新同步，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后2Tq，這時控制器在前一個位時序中的 PBS2 段減少 2Tq 的時間長 度，獲得同步。

相位滯后時的重新同步

在重新同步的時候，PBS1 和 PBS2 中增加或減少的這段時間長度被定義為“重新同步補償寬度SJW (reSynchronization Jump Width)”。一般來說 CAN 控制器會限定 SJW 的最大值，如限定了 最大 SJW=3Tq 時，單次同步調(diào)整的時候不能增加或減少超過 3Tq 的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調(diào)整來實現(xiàn)同步。當控制器設(shè)置的 SJW 極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降。

CAN 的報文種類及結(jié)構(gòu)

在 SPI 通訊中，片選、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)輸出這 4 個信號都有單獨的信號線，I2C 協(xié)議包含有時鐘信號及數(shù)據(jù)信號 2 條信號線，異步串口包含接收與發(fā)送 2 條信號線，這些協(xié)議包含的 信號都比 CAN 協(xié)議要豐富，它們能輕易進行數(shù)據(jù)同步或區(qū)分數(shù)據(jù)傳輸方向。而 CAN 使用的是兩條差分信號線，只能表達一個信號，簡潔的物理層決定了 CAN 必然要配上一套更復(fù)雜的協(xié)議，如 何用一個信號通道實現(xiàn)同樣、甚至更強大的功能呢？CAN 協(xié)議給出的解決方案是對數(shù)據(jù)、操作命令(如讀/寫)以及同步信號進行打包，打包后的這些內(nèi)容稱為報文。

在原始數(shù)據(jù)段的前面加上傳輸起始標簽、片選(識別)標簽和控制標簽，在數(shù)據(jù)的尾段加上 CRC 校驗標簽、應(yīng)答標簽和傳輸結(jié)束標簽，把這些內(nèi)容按特定的格式打包好，就可以用一個通道表達各種信號了，各種各樣的標簽就如同 SPI 中各種通道上的信號，起到了協(xié)同傳輸?shù)淖饔?。當整個數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)狡渌O(shè)備時，只要這些設(shè)備按格式去解讀，就能還原出原始數(shù)據(jù)，這樣的報文就被稱為 CAN 的“數(shù)據(jù)幀”。

為了更有效地控制通訊，CAN 一共規(guī)定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如下表幀的種類及其用途所示。

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)幀是在 CAN 通訊中最主要、最復(fù)雜的報文，我們來了解它的結(jié)構(gòu)，如下圖數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)所示。

數(shù)據(jù)幀以一個顯性位(邏輯 0)開始，以 7 個連續(xù)的隱性位(邏輯 1)結(jié)束，在它們之間，分別有仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC 段和 ACK 段。

幀起始

SOF 段(Start Of Frame)，譯為幀起始，幀起始信號只有一個數(shù)據(jù)位，是一個顯性電平，它用于通知各個節(jié)點將有數(shù)據(jù)傳輸，其它節(jié)點通過幀起始信號的電平跳變沿來進行硬同步。

仲裁段

當同時有兩個報文被發(fā)送時，總線會根據(jù)仲裁段的內(nèi)容決定哪個數(shù)據(jù)包能被傳輸，這也是它名稱的由來。

仲裁段的內(nèi)容主要為本數(shù)據(jù)幀的 ID 信息(標識符)，數(shù)據(jù)幀具有標準格式和擴展格式兩種，區(qū)別就在于 ID 信息的長度，標準格式的 ID 為 11 位，擴展格式的 ID 為 29 位，它在標準 ID 的基礎(chǔ)上多 出 18 位。在 CAN 協(xié)議中，ID 起著重要的作用，它決定著數(shù)據(jù)幀發(fā)送的優(yōu)先級，也決定著其它節(jié)點是否會接收這個數(shù)據(jù)幀。CAN 協(xié)議不對掛載在它之上的節(jié)點分配優(yōu)先級和地址，對總線的占有權(quán)是由信息的重要性決定的，即對于重要的信息，我們會給它打包上一個優(yōu)先級高的 ID，使它能夠及時地發(fā)送出去。也正因為它這樣的優(yōu)先級分配原則，使得 CAN 的擴展性大大加強，在總線上增加或減少節(jié)點并不影響其它設(shè)備。

報文的優(yōu)先級，是通過對 ID 的仲裁來確定的。根據(jù)前面對物理層的分析我們知道如果總線上同時出現(xiàn)顯性電平和隱性電平，總線的狀態(tài)會被置為顯性電平，CAN 正是利用這個特性進行仲裁。

若兩個節(jié)點同時競爭CAN總線的占有權(quán)，當它們發(fā)送報文時，若首先出現(xiàn)隱性電平，則會失去對總線的占有權(quán)，進入接收狀態(tài)。如下圖過程所示，在開始階段，兩個設(shè)備發(fā)送的電平一樣，所以它們一直繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。到了圖中箭頭所指的時序處，節(jié)點單元1發(fā)送的為隱性電平，而此時節(jié)點單元2發(fā)送的為顯性電平，由于總線的“線與”特性使它表達出顯示電平，因此單元2競爭總線成功，這個報文得以被繼續(xù)發(fā)送出去。

仲裁段 ID 的優(yōu)先級也影響著接收設(shè)備對報文的反應(yīng)。因為在 CAN 總線上數(shù)據(jù)是以廣播的形式發(fā)送的，所有連接在 CAN 總線的節(jié)點都會收到所有其它節(jié)點發(fā)出的有效數(shù)據(jù)，因而我們的 CAN 控制器大多具有根據(jù) ID 過濾報文的功能，它可以控制自己只接收某些 ID 的報文。

回看數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)圖中的數(shù)據(jù)幀格式，可看到仲裁段除了報文 ID 外，還有 RTR、IDE 和SRR 位。

(1) RTR 位(Remote Transmission Request Bit)，譯作遠程傳輸請求位，它是用于區(qū)分數(shù)據(jù)幀和遙控幀的，當它為顯性電平時表示數(shù)據(jù)幀，隱性電平時表示遙控幀。

(2) IDE 位(Identifier Extension Bit)，譯作標識符擴展位，它是用于區(qū)分標準格式與擴展格式，當它為顯性電平時表示標準格式，隱性電平時表示擴展格式。

(3) SRR 位(Substitute Remote Request Bit)，只存在于擴展格式，它用于替代標準格式中的 RTR位。由于擴展幀中的 SRR 位為隱性位，RTR 在數(shù)據(jù)幀為顯性位，所以在兩個 ID 相同的標準格式 報文與擴展格式報文中，標準格式的優(yōu)先級較高。

控制段

在控制段中的 r1 和 r0 為保留位，默認設(shè)置為顯性位。它最主要的是 DLC 段(Data Length Code)，譯為數(shù)據(jù)長度碼，它由 4 個數(shù)據(jù)位組成，用于表示本報文中的數(shù)據(jù)段含有多少個字節(jié)，DLC 段表 示的數(shù)字為 0~8。

數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段為數(shù)據(jù)幀的核心內(nèi)容，它是節(jié)點要發(fā)送的原始信息，由 0~8 個字節(jié)組成，MSB 先行。

CRC 段

為了保證報文的正確傳輸，CAN 的報文包含了一段 15 位的 CRC 校驗碼，一旦接收節(jié)點算出的CRC 碼跟接收到的 CRC 碼不同，則它會向發(fā)送節(jié)點反饋出錯信息，利用錯誤幀請求它重新發(fā)送。CRC 部分的計算一般由 CAN 控制器硬件完成，出錯時的處理則由軟件控制最大重發(fā)數(shù)。

在 CRC 校驗碼之后，有一個 CRC 界定符，它為隱性位，主要作用是把 CRC 校驗碼與后面的 ACK 段間隔起來。

ACK 段

ACK 段包括一個 ACK 槽位，和 ACK 界定符位。類似 I2C 總線，在 ACK 槽位中，發(fā)送節(jié)點發(fā)送的是隱性位，而接收節(jié)點則在這一位中發(fā)送顯性位以示應(yīng)答。在 ACK 槽和幀結(jié)束之間由 ACK 界定符間隔開。

幀結(jié)束

EOF 段(End Of Frame)，譯為幀結(jié)束，幀結(jié)束段由發(fā)送節(jié)點發(fā)送的 7 個隱性位表示結(jié)束。

其它報文的結(jié)構(gòu)

關(guān)于其它的 CAN 報文結(jié)構(gòu)，不再展開講解，其主要內(nèi)容見下圖 各種 CAN 報文的結(jié)構(gòu)。

15.2.GD32 CAN 外設(shè)原理簡介

因篇幅有限，本文無法詳細介紹GD32所有系列CAN外設(shè)接口，下面以GD32E103為例，著重介紹下GD32E103的CAN外設(shè)簡介和結(jié)構(gòu)框圖，后介紹下各個系列的差異。

GD32 CAN 主要特性

? 支持CAN總線協(xié)議2.0A和2.0B；

? 支持CAN-FD幀（ISO11898-1和CAN-FD規(guī)范V1.0）；

? 常規(guī)幀：通信波特率最大為1Mbit/s；

? CAN-FD幀：通信最大波特率為6Mbit/s；

? 支持傳輸延遲補償；

? 支持時間觸發(fā)通信（Time-triggered communication）；

? 中斷使能和清除；

發(fā)送功能

? 3個發(fā)送郵箱；

? 支持發(fā)送優(yōu)先級；

? 支持發(fā)送時間戳。

接收功能

? 2個深度為3的接收FIFO；

? 具有28個標識符過濾器；

? FIFO鎖定功能。

時間觸發(fā)通信

? 在時間觸發(fā)通信模式下禁用自動重傳；

? 16位定時器；

? 接收時間戳；

? 發(fā)送時間戳。

CAN 結(jié)構(gòu)框圖介紹

CAN 模塊結(jié)構(gòu)框圖

GD32E103一共有兩個CAN控制器，分別為CAN0和CAN1。每個CAN控制器有3個發(fā)送郵箱，2個深度為3的接收FIFO。

CAN控制器包含多個寄存器，下面主要講解其中的控制寄存CAN_CTL和位時序寄存器CAN_BT。

控制寄存器 CAN_CTL

控制寄存器CAN_CTL負責(zé)管理CAN的工作模式，它使用以下寄存器位實現(xiàn)控制。

（1） DFZ調(diào)試凍結(jié)功能

DFZ(Debug freeze)調(diào)試凍結(jié)，使用它可設(shè)置CAN處于工作狀態(tài)或禁止收發(fā)的狀態(tài)，禁止收發(fā)時仍可訪問接收FIFO中的數(shù)據(jù)。這兩種狀態(tài)是當STM32芯片處于程序調(diào)試模式時才使用的，平時使用 并不影響。

（2） TTC時間觸發(fā)通信

TTC(Time triggered communication)時間觸發(fā)通信，它用于配置CAN的時間觸發(fā)通信模式，在此模式下，CAN使用它內(nèi)部定時器產(chǎn)生時間戳，并把它保存在CAN_TMxP、CAN_RFIFOMPx寄存器中。內(nèi)部定時器在每個CAN位時間累加，在接收和發(fā)送的幀起始位被采樣，并生成時間戳。利用它可以實現(xiàn)ISO 11898-4 CAN標準的分時同步通信功能。

（3） ABOR自動離線恢復(fù)

ABOR(Automatic bus-off recovery) 自動離線恢復(fù)，它用于設(shè)置是否使用自動離線管理功能。當節(jié)點檢測到它發(fā)送錯誤或接收錯誤超過一定值時，會自動進入離線狀態(tài)，在離線狀態(tài)中，CAN不能接收或發(fā)送報文。處于離線狀態(tài)的時候，可以軟件控制恢復(fù)或者直接使用這個自動離線管理功能，它會在適當?shù)臅r候自動恢復(fù)。

（4） AWU自動喚醒

AWU(Automatic wakeup)，自動喚醒功能，CAN外設(shè)可以使用軟件進入低功耗的睡眠模式，如果使能了這個自動喚醒功能，當CAN檢測到總線活動的時候，會自動喚醒。

（5） AR自動重傳

AR(Automatic retransmission)報文自動重傳功能，設(shè)置這個功能后，當報文發(fā)送失敗時會自動重傳至成功為止。若不使用這個功能，無論發(fā)送結(jié)果如何，消息只發(fā)送一次。

（6） RFO接收FIFO覆蓋

RFO (Receive FIFO overwrite)接收FIFO覆蓋，該功能用于鎖定接收FIFO。鎖定后，當接收FIFO溢出時，會丟棄下一個接收的報文。若不鎖定，則下一個接收到的報文會覆蓋原報文。

（7） TFO發(fā)送FIFO順序

FTO(Tx FIFO order)報文發(fā)送順序的判定方法，當CAN外設(shè)的發(fā)送郵箱中有多個待發(fā)送報文時，本功能可以控制它是根據(jù)報文的ID優(yōu)先級還是報文存進郵箱的順序來發(fā)送。

位時序寄存器(CAN_BT)及波特率

CAN外設(shè)中的位時序寄存器CAN_BT用于配置測試模式、波特率以及各種位內(nèi)的段參數(shù)。

（1） 測試模式

為方便調(diào)試，GD32的CAN提供了測試模式，配置位時序寄存器CAN_BT的SCMOD及LCMOD位可以控制使用正常模式、靜默模式、回環(huán)模式及靜默回環(huán)模式，見下圖四種通訊模式

各個通訊模式介紹如下：

正常模式

正常模式下就是一個正常的CAN節(jié)點，可以向總線發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

靜默模式

靜默模式下，它自己的輸出端的邏輯0數(shù)據(jù)會直接傳輸?shù)剿约旱妮斎攵?，邏?可以被發(fā)送到總線，所以它不能向總線發(fā)送顯性位(邏輯0)，只能發(fā)送隱性位(邏輯1)。輸入端可以從總線接收內(nèi)容。 由于它只可發(fā)送的隱性位不會強制影響總線的狀態(tài)，所以把它稱為靜默模式。這種模式一般用于監(jiān)測，它可以用于分析總線上的流量，但又不會因為發(fā)送顯性位而影響總線。

回環(huán)模式

回環(huán)模式下，它自己的輸出端的所有內(nèi)容都直接傳輸?shù)阶约旱妮斎攵耍敵龆说膬?nèi)容同時也會被傳輸?shù)娇偩€上，即也可使用總線監(jiān)測它的發(fā)送內(nèi)容。輸入端只接收自己發(fā)送端的內(nèi)容，不接收來自總線上的內(nèi)容。使用回環(huán)模式可以進行自檢。

回環(huán)靜默模式

回環(huán)靜默模式是以上兩種模式的結(jié)合，自己的輸出端的所有內(nèi)容都直接傳輸?shù)阶约旱妮斎攵?，并且不會向總線發(fā)送顯性位影響總線，不能通過總線監(jiān)測它的發(fā)送內(nèi)容。輸入端只接收自己發(fā)送端的內(nèi)容，不接收來自總線上的內(nèi)容。這種方式可以在“熱自檢”時使用，即自我檢查的時候，不會干擾總線。

以上說的各個模式，是不需要修改硬件接線的，如當輸出直連輸入時，它是在GD32芯片內(nèi)部連接的，傳輸路徑不經(jīng)過STM32的CAN_Tx/Rx引腳，更不經(jīng)過外部連接的CAN收發(fā)器，只有輸出數(shù)據(jù) 到總線或從總線接收的情況下才會經(jīng)過CAN_Tx/Rx引腳和收發(fā)器。

（2）位時序及波特率

GD32外設(shè)定義的位時序與我們前面解釋的CAN標準時序有一點區(qū)別，見下圖GD32中的位時序。

GD32的CAN外設(shè)位時序中只包含3段，分別是同步段SYNC_SEG、位段BS1及位段BS2，采樣點位于BS1及BS2段的交界處。其中SYNC_SEG段固定長度為1Tq，而BS1及BS2段可以在位時序寄存器CAN_BT設(shè)置它們的時間長度，它們可以在重新同步期間增長或縮短，該長度DSJW也可在位時序寄存器中配置。

理解GD32的CAN外設(shè)的位時序時，可以把它的BS1段理解為是由前面介紹的CAN標準協(xié)議中PTS段與PBS1段合在一起的，而BS2段就相當于PBS2段。

了解位時序后，我們就可以配置波特率了。通過配置位時序寄存器CAN_BT的BS1[6:0]及BS2[4:0]寄存器位設(shè)定BS1及BS2段的長度后，我們就可以確定每個CAN數(shù)據(jù)位的時間：

BS1段時間： TS1=Tq x (BS1[6:0] + 1)

BS2段時間： TS2= Tq x (BS2[4:0] + 1)

一個數(shù)據(jù)位的時間： T1bit =1Tq+TS1+TS2 =1+ (BS1[6:0] + 1)+ (BS2[4:0] + 1)= N Tq

其中單個時間片的長度Tq與CAN外設(shè)的所掛載的時鐘總線及分頻器配置有關(guān)。

CAN0和CAN1外設(shè)都是掛載在APB1總線上的，而位時序寄存器CAN_BT中的BAUDPSC[9:0]位可以設(shè)置CAN外設(shè)時鐘的分頻值 ，所以：

Tq = (BAUDPSC[9:0]) x TPCLK

其中的PCLK指APB1時鐘，默認值為60MHz。

最終可以計算出CAN通訊的波特率：

BaudRate = 1/N Tq

例如下表一種配置波特率為1Mbps的方式說明了如何配置波特率為1Mbps。

各系列 CAN 功能差異

GD32系列MCU有關(guān)CAN外設(shè)各系列功能差異如下表GD32各系列MCU CAN外設(shè)功能差異表所示。

15.3.硬件連接說明

CAN 外設(shè)硬件連接圖

如圖CAN外設(shè)硬件連接圖所示，為典型的CAN外設(shè)硬件連接圖：SN65HVD230是收發(fā)器，其作用就是把CAN控制器的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號。發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制器把要發(fā)送的二進制編碼通過CAN_TX線發(fā)送到收發(fā)器，然后由收發(fā)器把這個邏輯電平轉(zhuǎn)換成差分信號，通過差分線CANH、CANL線輸出到總線網(wǎng)絡(luò)。當接收數(shù)據(jù)時，收發(fā)器把總線上收到的CANH、CANL信號轉(zhuǎn)換成邏輯電平，通過CAN_RX輸入到控制器。

讀者可以根據(jù)典型硬件連接圖和相應(yīng)系列的Datasheet設(shè)計出自己的硬件連接方式。

15.4.軟件配置說明

本小節(jié)講解CAN_Example歷程中CAN模塊的配置說明，主要包括CAN外設(shè)配置、GPIO引腳配置、主函數(shù)介紹以及運行結(jié)果。本例程主要介紹GD32 MCU各系列CAN模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收，有關(guān)CAN其他功能例程可參考各系列固件庫歷程。

CAN 外設(shè)配置

外設(shè)配置如代碼清單CAN外設(shè)配置所示，在GD32全系列MCU中CAN外設(shè)的配置基本相同。GD32標準庫提供了CAN初始化結(jié)構(gòu)體及初始化函數(shù)來配置CAN外設(shè)，其初始化結(jié)構(gòu)體說明如下表CAN參數(shù)初始化結(jié)構(gòu)體說明列表和CAN過濾器初始化結(jié)構(gòu)體說明列表所示。需要注意的是本例程需要用到兩個開發(fā)板，一個發(fā)送，一個接收，這可以通過打開宏定義CAN_RECEIVE或CAN_TRANSMIT來決定當前是接收還是發(fā)送。

代碼清單 CAN 外設(shè)配置

void can_config(void)
{
#if defined (GD32F30X_CL) ||(GD32F4XX) ||(GD32F20X_CL)||(GD32F10X_HD)
 can_parameter_struct can_parameter;
 can_filter_parameter_struct can_filter_parameter;

 can_struct_para_init(CAN_INIT_STRUCT, &can_parameter);
 can_struct_para_init(CAN_FILTER_STRUCT, &can_filter_parameter);
 /* initialize CAN register */
 can_deinit(CAN0);
 /* initialize CAN parameters */
 can_parameter.time_triggered = DISABLE;
 can_parameter.auto_bus_off_recovery = DISABLE;
 can_parameter.auto_wake_up = DISABLE;
 can_parameter.no_auto_retrans = DISABLE;
 can_parameter.rec_fifo_overwrite = DISABLE;
 can_parameter.trans_fifo_order = DISABLE;
 can_parameter.working_mode = CAN_NORMAL_MODE;
 can_parameter.resync_jump_width = CAN_BT_SJW_1TQ;
 can_parameter.time_segment_1 = CAN_BT_BS1_5TQ;
 can_parameter.time_segment_2 = CAN_BT_BS2_4TQ;
 can_parameter.prescaler = 12;
 /* initialize CAN */
 can_init(CAN0, &can_parameter);

 /* initialize filter */ 
 can_filter_parameter.filter_number = 0;
 can_filter_parameter.filter_mode = CAN_FILTERMODE_MASK;
 can_filter_parameter.filter_bits = CAN_FILTERBITS_32BIT;
 can_filter_parameter.filter_list_high = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_list_low = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_mask_high = 0x0000;
can_filter_parameter.filter_mask_low = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_fifo_number = CAN_FIFO0;
 can_filter_parameter.filter_enable = ENABLE;

 can_filter_init(&can_filter_parameter);
 #if defined (CAN_RECEIVE) 
 #if defined (GD32F10X_HD)
 nvic_irq_enable(USBD_LP_CAN0_RX0_IRQn,0,0);
 #else
 nvic_irq_enable(CAN0_RX0_IRQn,0,0);
 #endif
 /* enable can receive FIFO0 not empty interrupt */
 can_interrupt_enable(CAN0, CAN_INT_RFNE0);
 #endif
#elif defined (GD32E10X)
 can_parameter_struct can_parameter;

 can_struct_para_init(CAN_INIT_STRUCT, &can_parameter);
 /* initialize CAN register */
 can_deinit(CAN0);

 /* initialize CAN parameters */
 can_parameter.time_triggered = DISABLE;
 can_parameter.auto_bus_off_recovery = DISABLE;
 can_parameter.auto_wake_up = DISABLE;
 can_parameter.auto_retrans = DISABLE;
 can_parameter.rec_fifo_overwrite = DISABLE;
 can_parameter.trans_fifo_order = DISABLE;
 can_parameter.working_mode = CAN_NORMAL_MODE; 
 /* initialize CAN */
 can_init(CAN0, &can_parameter);

 /* config CAN0 baud rate */
 can_frequency_set(CAN0, DEV_CAN_BAUD_RATE);

 /* initialize filter */ 
 can_filter_mask_mode_init(DEV_CAN_ID, DEV_CAN_MASK, CAN_EXTENDED_FIFO0, 0);
 #if defined (CAN_RECEIVE) 
 /* configure CAN0 NVIC */
 nvic_irq_enable(CAN0_RX0_IRQn, 0, 0);
 /* enable can receive FIFO0 not empty interrupt */
 can_interrupt_enable(CAN0, CAN_INTEN_RFNEIE0);
 #endif
#elif defined (GD32F1X0)
 can_parameter_struct can_parameter;
can_filter_parameter_struct can_filter_parameter;
 /* initialize CAN register */
 can_deinit(CAN1);

 /* initialize CAN parameters */
 can_parameter.time_triggered = DISABLE;
 can_parameter.auto_bus_off_recovery = DISABLE;
can_parameter.auto_wake_up = DISABLE;
 can_parameter.no_auto_retrans = DISABLE;
 can_parameter.rec_fifo_overwrite = DISABLE;
 can_parameter.trans_fifo_order = DISABLE;
 can_parameter.working_mode = CAN_NORMAL_MODE;
 can_parameter.resync_jump_width = CAN_BT_SJW_1TQ;
 can_parameter.time_segment_1 = CAN_BT_BS1_4TQ;
 can_parameter.time_segment_2 = CAN_BT_BS2_3TQ;
 can_parameter.prescaler = 18;
 /* initialize CAN */
 can_init(CAN1, &can_parameter);
 /* initialize filter */ 
 can_filter_parameter.filter_number = 15;
 can_filter_parameter.filter_mode = CAN_FILTERMODE_MASK;
 can_filter_parameter.filter_bits = CAN_FILTERBITS_32BIT;
 can_filter_parameter.filter_list_high = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_list_low = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_mask_high = 0x0000;
 can_filter_parameter.filter_mask_low = 0x0000; 
 can_filter_parameter.filter_fifo_number = CAN_FIFO0;
 can_filter_parameter.filter_enable = ENABLE;

 can_filter_init(&can_filter_parameter);

 #if defined (CAN_RECEIVE) 
 /* configure CAN1 NVIC */
 nvic_irq_enable(CAN1_RX0_IRQn,0,0);
can_interrupt_enable(CAN1, CAN_INTEN_RFNEIE0);
 #endif
#endif
}

CAN 參數(shù)初始化結(jié)構(gòu)體說明列表

CAN 過濾器初始化結(jié)構(gòu)體說明列表

GPIO 引腳配置

GPIO引腳配置如代碼清單CAN例程GPIO引腳配置所示。GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列用到remap功能，因此需要打開AF時鐘。使用GD32F1X0時，例程中是使用CAN1來進行收發(fā)。需要注意的是，發(fā)送時，不需要打開CAN0的時鐘，但是接收時需要打開CAN0的時鐘。

代碼清單 CAN 例程 GPIO 引腳配置

void can_gpio_config(void)
{
#if defined (GD32F4XX)
 /* enable CAN0 clock */
 rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
 /* configure CAN0 GPIO */
 gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_8);
 gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_8);
 gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_8);

 gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);
 gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_9);
 gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_9);
#elif defined (GD32E10X) || (GD32F30X_CL) ||(GD32F10X_HD)
 /* enable CAN0 clock */
 rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_AF); 
 /* configure CAN0 GPIO */
 gpio_init(GPIOD,GPIO_MODE_IPU,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_0);
 gpio_init(GPIOD,GPIO_MODE_AF_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_1);
 #if defined (GD32F10X_HD)
gpio_pin_remap_config(GPIO_CAN_FULL_REMAP,ENABLE);
 #else
 gpio_pin_remap_config(GPIO_CAN0_FULL_REMAP,ENABLE);
 #endif
#elif defined (GD32F20X_CL)
 /* enable CAN0 clock */
 rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

 /* configure CAN0 GPIO */
 gpio_init(GPIOB,GPIO_MODE_IPU,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_8);
 gpio_init(GPIOB,GPIO_MODE_AF_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_9);
 gpio_pin_remap_config(GPIO_CAN0_PARTIAL_REMAP,ENABLE);
#elif defined (GD32F1X0) //only GD32F170 and GD32F190 have CAN, GD32F130 and GD32F150 don't have
 /* enable CAN clock */
#if defined (CAN_RECEIVE)
rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN0);
#endif
 rcu_periph_clock_enable(RCU_CAN1);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);

 /* configure CAN1 GPIO */
 gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_12);
 gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_12);
 gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_12);

 gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_13);
 gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_13);
 gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_13);
#endif
}

主函數(shù)配置

主函數(shù)配置如代碼清單主函數(shù)配置所示。本例程需要兩個開發(fā)板，一個作為發(fā)送，一個作為接收，這可以通過使用宏定義CAN_RECEIVE和CAN_TRANSMIT來實現(xiàn)。如果作為接收，那么主函數(shù)的開始會把can_receive_flag設(shè)置為RESET，并初始化LED2。LED2作為通訊的指示燈，如果通訊成功，就點亮LED2，否則就不點亮。can_receive_flag狀態(tài)的改變在中斷里實現(xiàn)，如果成功接收到數(shù)據(jù)，就會進入中斷，在中斷里把can_receive_flag設(shè)置為SET。主函數(shù)接下來對CAN的GPIO以及CAN模塊進行初始化。完成后，如果是作為發(fā)送方，程序需要設(shè)置需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。有關(guān)發(fā)送結(jié)構(gòu)體參數(shù)的說明，請見下表CAN發(fā)送消息初始化結(jié)構(gòu)體說明列表。

代碼清單主函數(shù)配置

int main(void)
{
#if defined (CAN_RECEIVE)
 can_receive_flag = RESET;
 LED2_init();
#endif
 /* GPIO config */
 can_gpio_config();
 /* CAN config */
can_config();
#if defined (CAN_TRANSMIT)
 /* initialize transmit message */
 #if defined (GD32E10X) || (GD32F30X_CL) || (GD32F10X_HD) || (GD32F4XX) || (GD32F20X_CL)
 can_struct_para_init(CAN_TX_MESSAGE_STRUCT, &g_transmit_message);
 #endif
 g_transmit_message.tx_sfid = 0x00;
 g_transmit_message.tx_efid = DEV_CAN_ID;
 g_transmit_message.tx_ft = CAN_FT_DATA;
 g_transmit_message.tx_ff = CAN_FF_EXTENDED;
 g_transmit_message.tx_dlen = 4;
 g_transmit_message.tx_data[0] = 0xaa;
 g_transmit_message.tx_data[1] = 0xbb;
 g_transmit_message.tx_data[2] = 0xcc;
 g_transmit_message.tx_data[3] = 0xdd;
#if defined (GD32E10X) || (GD32F30X_CL) || (GD32F10X_HD) || (GD32F4XX) || (GD32F20X_CL)
 can_message_transmit(CAN0, &g_transmit_message);
#elif defined (GD32F1X0)
can_message_transmit(CAN1, &g_transmit_message);
#endif
#endif
#if defined (CAN_RECEIVE)
 while(can_receive_flag == RESET);
if((g_receive_message.rx_data[0] == 0xaa) && (g_receive_message.rx_data[1] == 0xbb)&&\
(g_receive_message.rx_data[2] == 0xcc) && (g_receive_message.rx_data[3] == 0xdd))
{
 LED2_ON();
}
else
{
 LED2_OFF();
 }
#endif
 while(1);
}

CAN 發(fā)送消息初始化結(jié)構(gòu)體說明列表

運行結(jié)果

本例程需要用到兩個開發(fā)板，用杜邦線把兩個開發(fā)板的CAN_H、CAN_L分別連接起來。打開CAN_Example例程，選擇好對應(yīng)開發(fā)板的芯片工程后，先屏蔽掉CAN_RECEIVE，不屏蔽CAN_TRANSMIT ，編譯后把程序下載到一號開發(fā)板上。然后換一塊開發(fā)板，屏蔽掉CAN_TRANSMIT，不屏蔽CAN_RECEIVE，編譯后把程序下載到二號開發(fā)板上。接下來按下二號開發(fā)板的復(fù)位鍵，然后再按下一號開發(fā)板的復(fù)位鍵，此時會看到二號開發(fā)板的LED2被點亮，這表明通訊成功。

15.5.CAN 使用注意事項

（1） 使用F10X、F20X、F30X、F1X0、E10X、F403接收數(shù)據(jù)時如果出現(xiàn)接收兩幀數(shù)據(jù)會丟失一包的情況，這是由于手動多調(diào)用一次清緩存的操作導(dǎo)致的。因此，軟件中無需調(diào)用can_fifo_release函數(shù)；

（2） 使用F10X、F20X、F1X0時，會出現(xiàn)CAN離線后無法自動恢復(fù)，這是由于CAN模塊的離線自動恢復(fù)功能與CAN協(xié)議定義的離線恢復(fù)序列存在一定理解誤差造成的。該狀況可以通過使能離線中斷，在離線中斷內(nèi)重新初始化CAN模塊來規(guī)避；

（3） GD32F170和GD32F190的CAN0內(nèi)置PHY，其CANH和CANL口的耐壓范圍為VSS-0.3到VSS+7.5，內(nèi)置的PHY不支持12V和24V系統(tǒng)。當使用CAN0時，建議硬件上按照下圖CAN0引腳連接圖連接。

CAN0 引腳連接圖