CAN通讯相关知识拆解报文格式过滤器数据交互

在嵌入式系统中使用CAN（Controller Area Network）通讯，需要掌握以下内容：

CAN协议：了解CAN总线通讯的基本原理，包括帧格式、报文结构、消息ID等内容。
CAN控制器：理解CAN控制器的工作原理以及如何配置和控制CAN控制器，包括波特率设置、过滤器配置等。
CAN硬件：熟悉CAN硬件接口的相关信息，包括传输线路、终端电阻等。
CAN通讯模式：了解CAN通讯的多种通讯模式，如标准帧模式、扩展帧模式、远程帧模式等。
数据处理：掌握CAN数据的发送和接收处理方法，包括数据打包、解析、校验等。
错误处理：了解CAN通讯中可能出现的错误类型，如位错误、帧错误等，以及相应的处理方法。
实时性：理解CAN通讯在嵌入式系统中的实时性要求，确保数据的及时性和可靠性。
调试工具：熟练掌握CAN通讯调试工具的使用，如CAN分析仪、逻辑分析仪等，以便快速排查问题。

下面就大致介绍一下CAN总线数据的组成以及帧格式的具体内容。

一、CAN数据的组成

1、头尾段

2、仲裁段

从该分析过程得出结论是：帧ID值越小，优先级越高。

对于同为扩展格式数据帧、标准格式远程帧和扩展格式远程帧的情况同理。

3、控制段

4、数据段

5、CRC段

6、ACK段

二、CAN数据的格式

CAN通信帧共分为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔五种类型。

1、数据帧

结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）。

2、远程帧

数据帧与远程帧的区别

3、错误帧

4、过载帧

5、帧间隔

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以上内容参考大佬文章：

原文链接：图解CAN总线数据的组成和帧格式_can总线帧头-CSDN博客

三、CAN控制器

CAN（控制器局域网）控制器是一种专门用于处理CAN通信协议的集成电路，它能够管理和控制CAN网络中的数据传输。CAN控制器的主要功能包括消息的发送、接收和过滤。以下是CAN控制器工作原理的详细介绍：

CAN控制器通常包含以下几个关键模块：

发送缓冲区：存储待发送的CAN消息。
接收缓冲区：存储接收到的CAN消息。
滤波器和掩码寄存器：用于消息的过滤。
协议控制逻辑：负责CAN协议的具体实现，包括帧格式的生成和校验。
错误管理模块：处理错误检测和纠正。
时钟和定时器模块：用于同步和控制消息的发送和接收时序。

1. 消息发送

CAN控制器在发送消息时，经历以下几个步骤：

消息装载：应用程序将消息数据和标识符（ID）装载到发送缓冲区。
仲裁过程：CAN总线上多个节点可能同时发送消息。CAN控制器通过标识符的仲裁机制确定优先级，ID值越低优先级越高。
消息发送：优先级最高的消息赢得仲裁后开始发送。发送过程中，包括了帧起始、标识符、控制字段、数据字段、CRC校验和帧结束等步骤。
发送确认：发送完成后，控制器等待其他节点的确认。如果未收到确认，将重试发送。

2. 消息接收

在接收消息时，CAN控制器执行以下步骤：

总线监听：控制器持续监听CAN总线上的所有通信。
消息捕获：接收到CAN消息后，首先将其存储在接收缓冲区。
消息过滤：通过滤波器和掩码寄存器，控制器判断消息是否与节点相关。只有通过过滤器的消息才会继续处理。
错误检测：控制器检查接收到的消息是否有错误，包括位错误、填充错误、CRC错误等。
消息处理：没有错误且通过过滤器的消息被传递给应用层进行处理。

3.错误处理

CAN控制器内置多种错误处理机制，以确保通信的可靠性：

错误检测：包括位错误、填充错误、CRC错误、确认错误和格式错误。
错误计数：控制器维护发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC），用于记录错误发生的次数。
错误状态管理：根据错误计数器的值，控制器可以进入不同的错误状态，如错误主动状态、错误被动状态和总线关闭状态。

4.时钟同步

CAN通信需要严格的时间控制，CAN控制器使用内部时钟和定时器模块来保持同步。通过同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2来控制比特时间，确保各节点能够在精确的时间点发送和接收数据。

四、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。

1.静默（Silent）通信模式【可以接收但不发送】

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。

2.回环（Loopback）通信模式【自发自收用于自测】

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。回环通信模式通常用来进行CAN通信自测。

3.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。 609 GD32F30x 用户手册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。

4.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。

五、数据发送

发送寄存器数据发送通过3个发送邮箱进行，可以通过寄存器CAN_TMIx，CAN_TMPx，CAN_TMDATA0x和CAN_TMDATA1x 对发送邮箱进行配置

1.数据发送步骤如下：

第1步：选择一个空闲发送邮箱；

第2步：根据应用程序要求，配置4个发送寄存器；

第3步：将CAN_TMIx寄存器的TEN置1；

第4步：检测发送状态和错误信息。典型情况是检测到MTF和MTFNERR置1，说明数据被成功发送。

2.发送邮箱状态转换

当发送邮箱处于empty 状态时，应用程序才可以对邮箱进行配置。当邮箱被配置完成后，可以将CAN_TMIx寄存器的TEN位置 1，从而向CAN总线控制器提交发送请求，这时发送邮箱处于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。

3.发送状态检测

CAN_TSTAT寄存器中的MTF，MTFNERR，MAL和MTE位用来说明发送状态和错误信息。

◼ MTF：发送完成标志位。当数据发送完成时，MTF置1。

◼ MTFNERR：无错误发送完成标志位。当数据发送完成且没有错误时，MTFNERR置1。

◼ MAL：仲裁失败标志位。当发送数据过程中出现仲裁失败时，MAL置1。

◼ MTE：发送错误标志位。当发送过程中检测到总线错误时，MTE置1。

4.发送优先级

当有2个及其以上发送邮箱等待发送时，寄存器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。

六、数据发送

应用程序通过2个深度为3的FIFO接收来自CAN网络的数据

1.数据接收步骤

第1步：查看FIFO中帧的数量。

第2步：通过CAN_RFIFOMIx ， CAN_RFIFOMPx ， CAN_RFIFOMDATA0x 和CAN_RFIFOMDATA1x读取数据。

第3步：将寄存器CAN_RFIFOx的RFD置1释放邮箱，并且等待其由硬件自动清0。

2.接收FIFO

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。

3.接收FIFO状态信息

接收FIFO状态信息包含在寄存器CAN_RFIFOx中。

RFL：FIFO中包含的帧数量。FIFO为空时，RFL为0；FIFO为满时，RFL为3。

RFF：FIFO满状态标志位。这时RFL为3。

RFO：FIFO溢出标志位。当FIFO已经包含了3个数据帧时，新的数据帧到来使FIFO发生溢出。

如果CAN_CTL寄存器的RFOD位被置1，新的数据帧将丢弃。如果该位被清0，新的数据帧将覆盖接收FIFO中最后一帧数据。

七、滤功能

一个待接收的数据帧会根据其标识符（Identifier）进行过滤：硬件会将通过过滤的帧送至接收

硬件过滤的做法节省了CPU开销，否则就必须由软件过滤从而占用一定的CPU开销

1.过滤器关联的FIFO

28个过滤单元均可以关联接收FIFO0或接收FIFO1。一旦一个过滤单元关联到接收FIFO，只有通过这个过滤单元的帧才会被传送到接收FIFO中存储。

2.优先级

过滤器优先级规则如下：

1、32-bits位宽模式高于16-bits位宽模式；

2、列表模式高于掩码模式；

3、较小的过滤序号（Filter Number）具有较高的优先级。

3.过滤器模式

（1）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。

设得宽，则可以通过的多(所有位为0，则不过任何过滤操作，则谁都可以通过)，设得窄，则通过的少(所有位设为1，则只有一个能通过)。

（2）列表模式

对于一个待过滤的数据帧的标识符（Identifier），列表模式用来表示与预设的标识符列表中能够匹配则通过，否则丢弃。

4.过滤器的位宽

在非GD32F30x CL系列产品中，过滤器由14个单元（ Bank）组成，它们是bank0到bank13。在GD32F30x CL系列产品中，过滤器包含28个单元，它们是bank0到bank27。

每一个过滤器单元有2个寄存器CAN_FxDATA0和CAN_ FxDATA1，它们可以配置为2种位宽：32-bit位宽和16-bit位宽。【配置的位宽】

32位宽的掩码模式，配置过滤2个不同的ID号

32位宽的列表模式，配置过滤4个不同的ID号

16位宽的列表模式，配置过滤2个不同的ID号

16位宽的掩码模式，配置过滤1个不同的ID号

5.过滤器的代码实现

注意：若配置了多组标识符掩码，则只要接收到的标识符符合其中任意一组掩码的都会通过滤波器，所以千万不要有其中一组是通配的（即掩码为0x0000），否则你设置的其它掩码组都会无效

以下是实现每种CAN滤波器配置情况的实际代码示例。假设我们使用的CAN控制器支持相应的配置方式，并使用C语言或C++编写代码。

1. 32位宽的掩码模式，配置过滤2个不同的ID号

解释：

左移3位：空出低3位用于控制位（SRR、IDE、RTR等）。
右移16位：提取高16位部分用于高位寄存器。
与0xffff按位与：确保只取低16位。
或操作设置扩展ID标志位：标记该ID为扩展ID

假设使用的是某个CAN控制器的库函数CAN_SetFilter来配置滤波器：

// 设置32位宽掩码模式的过滤器1
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig1;
sFilterConfig1.FilterIdHigh = (0x12345678 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig1.FilterIdLow = (0x12345678 << 3) & 0xFFFF;
sFilterConfig1.FilterMaskIdHigh = (0x1FFFFFFE >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig1.FilterMaskIdLow = (0x1FFFFFFE << 3) & 0xFFFF;
sFilterConfig1.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
sFilterConfig1.FilterBank = 0; // 滤波器编号
sFilterConfig1.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
sFilterConfig1.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
sFilterConfig1.FilterActivation = ENABLE;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig1);// 设置32位宽掩码模式的过滤器2
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig2;
sFilterConfig2.FilterIdHigh = (0x12345679 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig2.FilterIdLow = (0x12345679 << 3) & 0xFFFF;
sFilterConfig2.FilterMaskIdHigh = (0x1FFFFFFE >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig2.FilterMaskIdLow = (0x1FFFFFFE << 3) & 0xFFFF;
sFilterConfig2.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
sFilterConfig2.FilterBank = 1; // 滤波器编号
sFilterConfig2.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
sFilterConfig2.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
sFilterConfig2.FilterActivation = ENABLE;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig2);

2. 32位宽的列表模式，配置过滤4个不同的ID号

// 设置32位宽列表模式的过滤器
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig;// 过滤器1
sFilterConfig.FilterBank = 0; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDLIST;
sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
sFilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
sFilterConfig.FilterIdHigh = (0x12345678 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = (0x12345678 << 3) & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
sFilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0000;
sFilterConfig.FilterActivation = ENABLE;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);// 过滤器2
sFilterConfig.FilterBank = 1; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterIdHigh = (0x23456789 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = (0x23456789 << 3) & 0xFFFF;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);// 过滤器3
sFilterConfig.FilterBank = 2; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterIdHigh = (0x34567890 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = (0x34567890 << 3) & 0xFFFF;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);// 过滤器4
sFilterConfig.FilterBank = 3; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterIdHigh = (0x45678901 >> 13) & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = (0x45678901 << 3) & 0xFFFF;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);

3. 16位宽的列表模式，配置过滤2个不同的ID号

// 设置16位宽列表模式的过滤器
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig;// 过滤器1
sFilterConfig.FilterBank = 0; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDLIST;
sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_16BIT;
sFilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;
sFilterConfig.FilterIdHigh = 0x1234 & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = 0x5678 & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
sFilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0000;
sFilterConfig.FilterActivation = ENABLE;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);// 过滤器2
sFilterConfig.FilterBank = 1; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterIdHigh = 0x5678 & 0xFFFF;
sFilterConfig.FilterIdLow = 0x0000;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);

4. 16位宽的掩码模式，配置过滤1个不同的ID号

// 设置16位宽掩码模式的过滤器
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig;
sFilterConfig.FilterBank = 0; // 滤波器编号
sFilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
sFilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_16BIT;
sFilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;// 过滤器ID
sFilterConfig.FilterIdHigh = 0x1234 & 0xFFFF;
// 掩码
sFilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0xFFFF; // 完全匹配sFilterConfig.FilterActivation = ENABLE;
CAN_SetFilter(&sFilterConfig);

这些代码示例展示了如何配置不同位宽和模式的CAN滤波器，以实现对不同数量ID号的过滤。具体实现可能会因不同的CAN控制器和库函数有所不同，请参考具体硬件的文档和API。