ST MCU CAN模块--TTCAN模式浅析

ST MCU CAN模块使用总结

1 前言

传统CAN 采用事件触发消息传输机制,CSMA/ CD+ AMP( Carrier-Sense Mult iple Access w ith Co llision Detect ion and Arbit ration on Message Priorit ies, 载波侦听、多路访问、冲突检测、优先级仲裁) 介质访问控制机制, 即多个消息同时发送时, 按照消息标识符的优先级顺序, 低优先级消息自动退出, 高优先级消息继续发送。这种介质访问方式提高了网络的利用率和高优先级消息的实时性, 但在重负载CAN 中, 低优先级消息经常由于总线冲突而被迫退出发送, 导致低优先级消息传输时延长, 且传输时延不可预测。

因此, CAN 不适合实时性和可靠性要求特别高或有安全性要求的场合, 如汽车电子钟的X-by-w ir e( 线控技术) 。为此国外有专家自2000 年起研究时间触发机制的CAN --TT CAN。2004 年国际标准化组织将TT CAN 制定为ISO 11898-4国际标准。

2.CAN协议的主要特点

CAN总线协议有CAN1.0、CAN2.0（CAN2.0A、CAN2.0B），其中CAN2.0对比1.0，主要是增加了CAN的扩展帧定义。现在我们所说的CAN通常都是指CAN2.0标准的总线。

CAN-FD协议在原有的CAN协议基础上，增加了可变波特率、扩大数据场、提升校验算法安全性等改进。

2.1 CAN通信的电平传输

而我们现在通常使用的CAN2.0，都是使用高速CAN标准，其物理层电平如图：

在这里插入图片描述

对于高速CAN，总结一下，也就是：

CAN_H-CAN_L < 0.5V 时候为隐性的，逻辑信号表现为"逻辑1"- 高电平。
CAN_H-CAN_L > 0.9V 时候为显性的，逻辑信号表现为"逻辑0"- 低电平。

关于CAN通信的电平传输，一个重要概念就是：

CAN总线在电平传输上，具有仲裁判断逻辑，优先级为：显性（低电平）>隐形（高电平）！

在理解CAN总线传输的整个过程中，主要就是清楚这一规则在传输时的灵活运用，并定义的各种帧形式。

2.2 CAN网络特点

多主控制：在CAN网络中，任何节点都可以在任何时候发送信息，不需要中央控制单元的调度。
消息仲裁：当两个或多个节点同时发送信息时，通过仲裁机制确保优先级较高的消息能够优先传输。
错误检测和处理：CAN协议具备强大的错误检测能力，包括位错误检测、帧错误检测和CRC（循环冗余校验）等，以确保数据传输的可靠性。
灵活的拓扑结构：CAN网络可以采用总线型、星型或混合型拓扑结构，便于在汽车中布线。
数据传输速率：CAN支持不同的数据传输速率，从最低的10 kbps到最高的1 Mbps，以适应不同的应用需求。
支持多种通信模式：包括点对点、点对多点和广播通信模式。
网络扩展性：通过使用中继器或网桥，CAN网络可以轻松扩展，以支持更多的节点。
成本效益：CAN协议的硬件和软件实现成本相对较低，适合大规模应用。
由于其高可靠性、实时性和灵活性，CAN协议不仅在汽车行业中得到广泛应用，还被用于工业自动化、医疗设备、家庭自动化等多个领域。随着技术的发展，CAN协议也在不断地进行改进和扩展，以满足更广泛的应用需求。

2.3 CAN FD概念：

CAN FD（CAN with Flexible Data-rate）是一种为了满足现代汽车系统中日益增长的数据传输需求而设计的通信协议。它是传统CAN（Controller Area Network）协议的扩展，主要改进包括更高的数据传输速率和更大的数据包大小。

主要特点：

更高的数据传输速率：CAN FD支持的传输速率远高于传统CAN的最大1Mbps，数据段的速率可以达到8Mbps。
更大的数据包大小：CAN FD允许每个数据帧最多携带64个字节，而传统CAN限制为8个字节。
双比特率： CAN FD在帧内使用两种不同的速率，仲裁段（确保正确的消息传输优先级）使用较低的速率，数据段则可以使用更高的速率。
改进的可靠性：通过使用改进的循环冗余校验（CRC）和其他错误检测机制，提高了数据传输的可靠性。
向后兼容性：CAN FD设备可以与仅支持传统CAN的设备在同一网络上通信，尽管在这种情况下不会利用到CAN FD的全部特性。

CAN FD由于其高数据速率和大载荷能力，特别适用于需要大量数据传输的汽车应用，如高清摄像头数据传输、车载信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统（ADAS）以及自动驾驶技术。

2.4 CAN的数据格式

CAN的数据定义了有5种帧类型：

在这里插入图片描述

其中，遥控帧也常被称为远程帧。CAN的应用开发者只能使用“数据帧”和“遥控帧”，其他的3种帧类型是由CAN的底层固件自动帮我们在特定场景下进行收发，开发者无需担心也无法直接参与控制。

所以，本文把“数据帧”和“遥控帧”与其他的3种帧类型分别进行介绍。

2.4.1数据帧与遥控帧

关于数据帧，也就是我们最常用的帧类型，用于数据的收发；也是CAN通信里最主要的内容。

而遥控帧，只是CAN网络里的某一节点发送一个遥控帧请求其他的节点反馈数据给自己，关于遥控帧其实在实际使用中，显得很鸡肋，原因有：

1、CAN通信作为一种半双工通信形式，在实际使用中的应用层通信协议往往会定义好数据的应答机制与时间间隔，节点与节点之间只要按照协议规定进行数据的收发即可。

2、遥控帧与数据帧对比，其实就是一条数据长度为0的数据帧而已，只是在帧格式里的仲裁段RTR位为隐性。那么，似乎有数据帧就足够了。

3、遥控帧的概念定义只是一个预定义，所谓的请求其他节点给自己发送数据并不是强制的，与数据帧一样完全根据应用层协议来规定其具体的使用。

综上所述，CAN里定义的遥控帧实际作用不大，而且可以用数据帧配合应用协议的定义，进行替代。所以在后来的CAN-FD中已经取消了遥控帧的定义了。

2.5 什么是TTCAN？

TT CA N 是CAN 的高层协议, 其[数据链路层需要帧起始时刻信息。T TCAN 在CAN 的[物理层]和[数据链路]层基础上, 通过调度表实现网路上节点的分时同步通信。网路上各节点取得同步后, 消息只能根据调度表在规定的时间隙传输, 避免了消息传输的冲突、仲裁,消息传输时延短, 且可预知。具体介绍请参考ISO11898-4。

3 STM32中的TTCAN实现

3.1 开启TTCAN模式

STM32是通过主控制寄存器（CAN_MCR）的TTCM位来控制TTCAN模式的使能开关的。CAN_MCR寄存器如下所示：

地址偏移量: 0x00
复位值: 0x0001 0002

在这里插入图片描述

图1

位31:16	保留，硬件强制为0。
位15	RESET: bxCAN 软件复位 0: 本外设正常工作； 1: 对bxCAN进行强行复位，复位后bxCAN进入睡眠模式(FMP位和CAN_MCR寄存器被初始化为其复位值)。此后硬件自动对该位清0。
位14:8	保留，硬件强制为0。
位7	TTCM: 时间触发通信模式 0: 禁止时间触发通信模式； 1: 允许时间触发通信模式。
位6	ABOM: 自动离线(Bus-Off)管理该位决定CAN硬件在什么条件下可以退出离线状态。 0: 离线状态的退出是在，软件对CAN_MCR寄存器的INRQ位进行置1随后清0后，一旦硬件检测到128次11位连续的隐性位，就退出离线状态； 1: 一旦硬件检测到128次11位连续的隐性位，自动退出离线状态。
位5	AWUM: 自动唤醒模式该位决定CAN处在睡眠模式时由硬件还是软件唤醒 0: 睡眠模式通过清除CAN_MCR寄存器的SLEEP位，由软件唤醒； 1: 睡眠模式通过检测CAN报文，由硬件自动唤醒。唤醒的同时，硬件自动对CAN_MSR寄存器的SLEEP和SLAK位清0 。
位4	NART: 禁止报文自动重传 0: 按照CAN标准，CAN硬件在发送报文失败时会一直自动重传直到发送成功； 1: CAN报文只被发送1次，不管发送的结果如何(成功、出错或仲裁丢失)。
位3	RFLM: 接收FIFO锁定模式 0: 在接收溢出时FIFO未被锁定，当接收FIFO的报文未被读出，下一个收到的报文会覆盖原有的报文； 1: 在接收溢出时FIFO被锁定，当接收FIFO的报文未被读出，下一个收到的报文会被丢弃。
位2	TXFP: 发送FIFO优先级当有多个报文同时在等待发送时，该位决定这些报文的发送顺序 0: 优先级由报文的标识符来决定； 1: 优先级由发送请求的顺序来决定。
位1	SLEEP: 睡眠模式请求软件对该位置1可以请求CAN进入睡眠模式，一旦当前的CAN活动(发送或接收报文)结束，CAN就进入睡眠。软件对该位清0使CAN退出睡眠模式。当设置了AWUM位且在CAN Rx信号中检测出SOF位时，硬件对该位清0。在复位后该位被置1－CAN在复位后处于睡眠模式。
位0	INRQ: 初始化请求软件对该位清0可使CAN从初始化模式进入正常工作模式：当CAN在接收引脚检测到连续的11个隐性位后，CAN就达到同步，并为接收和发送数据作好准备了。为此，硬件相应地对CAN_MSR寄存器的INAK位清0。软件对该位置1可使CAN从正常工作模式进入初始化模式：一旦当前的CAN活动(发送或接收)结束，CAN就进入初始化模式。相应地，硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位置1。

如上，只需要将CAN_MCR寄存器的TTCM位置1则开启了TTCAN模式。此时STM32的CAN模式以TTCAN模式进行通信。

STM32F20x的固件库对应开启TTCAN模式的接口为：

/**

* @brief Enables or disables the CAN Time TriggerOperation communication mode.

* @note DLC must be programmed as 8 in order Time Stamp (2 bytes) to be

* sent over the CAN bus.

* @param CANx: where x can be 1 or 2 to to select the CAN peripheral.

* @param NewState: Mode new state. This parameter can be: ENABLE or DISABLE.

* When enabled, Time stamp (TIME[15:0]) value is sent in the last two

* data bytes of the 8-byte message: TIME[7:0] in data byte 6 and TIME[15:8]

* in data byte 7.

* @retval None

void CAN_TTComModeCmd(CAN_TypeDef* CANx, FunctionalState NewState);

或者在初始化CAN_Init时，将CAN_InitTypeDef的成员CAN_TTCM使能。

3.2 开启时间戳

在TTCAN模式下，CAN硬件的内部定时器被激活，并且被用于产生发送与接收邮箱的)时间戳，分别存储在CAN_RDTxR/CAN_TDTxR寄存器中。内部定时器在每个CAN位时间累加。内部定时器在接收和发送的帧起始位的采样点位置被采样，并生成时间戳。如下：

发送邮箱时间戳：
在这里插入图片描述

图2

如上图：在TTCAN模式下，TIME[15：0]将保留SOF的时间戳。

若通过将TGT位置1则开启了时间戳，此时TIME[15:0]将保存了在发送该报文SOF的时刻，16位定时器的值。同时，在发送长度为8的报文中，时间戳TIME[15:0]是最后2个发送的字节：TIME[7:0]作为第7个字节，TIME[15:8]为第8个字节，它们替换了写入CAN_TDHxR[31:16]的数据(DATA6[7:0]和DATA7[7:0])。为了把时间戳的2个字节发送出去，DLC必须编程为8。

在源码中开启此功能，修改CAN_TypeDef的sTxMailBox[3]的RDTR寄存器。

接收邮箱时间戳：

在这里插入图片描述