玩轉先楫CANFD外設系列之一：輕松搞起CANFD

一、概述

先楫的CANFD外設，有兩個(gè)CANFD的IP，其中HPM6700系列，HPM6400系列、HPM6300系列使用的是CAN，包括了經(jīng)典CAN和CANFD。而HPM6200系列則使用的MCAN系列，同樣也包括了經(jīng)典CAN和CANFD。兩個(gè)CANFD有所差異，hpm_sdk也分為了兩個(gè)驅動(dòng)文件，但基本的操作接口保持一致。

本文闡述HPM6700系列，HPM6400系列、HPM6300系列的CAN，這里就統稱(chēng)為CAN。MCAN部分后續文章闡述。

先楫的CAN外設功能比較豐富，比如涉及到各種CAN模式、CAN錯誤警告提示、時(shí)間戳等等?？梢钥纯词謨訡AN特征描述。

本文主要介紹CAN的基礎配置（引腳時(shí)鐘初始化，波特率設置，正常模式下的收發(fā)流程），其他的功能可參考hpm_sdk，后續根據需要也會(huì )進(jìn)行文章闡述。

本文以hpm_sdk的操作接口A(yíng)PI為例子，進(jìn)而介紹CAN的相關(guān)知識。

關(guān)于更多的CAN/CANFD知識可以訪(fǎng)問(wèn)CIA官網(wǎng)，spec文檔可以參考ISO11898-1-2015。本文部分闡述都是基于CIA和ISO的描述參考。

二、實(shí)現流程

hpm_sdk中，關(guān)于can的例子在samples/drivers/can。使用的板子為hpm6750evk2.

（一）引腳初始化和功能時(shí)鐘初始化

對于CAN的引腳初始化，極其簡(jiǎn)單，只需要把引腳復用為CAN功能即可。參考hpm6750evk2的board中的CAN初始化。參考board_init_can API

對于CAN功能時(shí)鐘的開(kāi)啟，在hpm6750手冊中，默認時(shí)鐘由時(shí)鐘源PLL1_CLK1F五分頻得到，PLL1_CLK1為400M，那么CAN的功能時(shí)鐘就為80M.

同樣sdk當中也做了相關(guān)時(shí)鐘初始化，參考board_init_can_clock API

（二）波特率設置

對于CAN差分信號，這里不做闡述，本文統稱(chēng)的高低電平均為邏輯0和1。

跟uart一樣，都是需要每個(gè)位的的時(shí)間確定，保持雙方采樣的準確。在CAN的概念中，有一個(gè)比較重要的次，BitTime(CAN位時(shí)間)，這個(gè)決定一個(gè)bit傳輸需要的時(shí)間，這也決定了波特率。比如一個(gè)位傳輸200ns，那么1S就可以傳輸100000000(ns)/200(ns) = 5000000bit，也就是5Mbps波特率。

在先楫官方HPM6700_HPM6400_UM手冊當中，對于CAN位時(shí)間有這么一段描述。

可以看到，一個(gè)位時(shí)序還包括了Sync_seg、Prop_Seg、Phase_Seg1, Phase_Seg2。Sample point指的是采樣點(diǎn)，也就是這段電平保持時(shí)間中的采樣位置點(diǎn)，比如200ns的位時(shí)間，采樣點(diǎn)80%，那么就是在160ns中采樣決定他是0或者是1。

在ISO11898-1:2015中，文檔也說(shuō)明了這部分參數的定義。

這里比較重要的是Sync_Seg，這部分的位時(shí)間指的是同步段，用來(lái)同步CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)，若檢測到的跳變沿被包含在此段的范圍內，那么時(shí)序就是同步的，采樣點(diǎn)sample_point采樣到的電平就是該位的電平。上述可知道，該段的時(shí)間固定為1TQ，其他段時(shí)間均是相位的緩沖段，補償邊沿階段的誤差，保證位電平的穩定和重新同步。具體可看ISO文檔解釋。

如果兩個(gè)節點(diǎn)位時(shí)間不同（各個(gè)位段時(shí)間不同），也就如果波特率不一樣或者差別到一定程度(CAN的波特率有一定的范圍，只要能保證采樣點(diǎn)的位置大致相同)，那么采樣到的數據也有可能不一樣。所以對于位時(shí)間的各個(gè)段的參數需要保持一致，以便通信同步一致。

如果兩個(gè)節點(diǎn)位時(shí)間相同，CAN控制器會(huì )自身保持同步，同步的方式有兩種：硬同步和重新同步。

這兩種方式都必須遵守以下規則：

(1)、一位時(shí)間內（兩個(gè)采樣點(diǎn)之間）只允許一次同步。檢測到邊沿后，應禁用同步，直到下一次在采樣點(diǎn)檢測到的總線(xiàn)狀態(tài)為隱性。

(2)、僅當在前一個(gè)采樣點(diǎn)檢測到的總線(xiàn)狀態(tài)（前一個(gè)讀總線(xiàn)狀態(tài)）為隱性時(shí)，邊沿才應引起同步

(3)、當節點(diǎn)處于總線(xiàn)集成狀態(tài)時(shí)，在幀間間隔期間（除了間歇的第一位），以及在 CANFD 幀內，應在邊緣上執行硬同步。也就是在SOF上開(kāi)始硬同步，其他bit都在重新同步。

(4)、滿(mǎn)足規則 1 和 2 的所有其他隱性到顯性邊緣均應用于重新同步，但有一個(gè)例外：傳輸 CANFD 幀的節點(diǎn)在傳輸該幀的數據階段時(shí)不應同步，而采取重新同步。

這里截取了ISO文檔說(shuō)明：

1、硬件同步

在以上規則中，我們可以通過(guò)檢測SOF幀起始，SOF幀的開(kāi)始就是在CAN總線(xiàn)空閑下(連續11個(gè)位的隱形電平，也就是邏輯1)，一旦有顯性電平出現，那就是有SOF幀開(kāi)始，根據上述規則1和2,可以直接使用的是硬同步。硬同步會(huì )強制把位時(shí)間拉至邊沿，保持同步。這個(gè)階段不受同步跳轉寬度SJW限制。

ISO文檔同樣也有說(shuō)明：

比如：以下波形，當檢測到SOF時(shí)候，CAN控制器需要滿(mǎn)足ISO標準，執行硬同步。

2、重新同步

如果在仲裁段相當比較長(cháng)的時(shí)間內，比如ID段，連續的傳輸會(huì )帶來(lái)相位的左右偏移，這時(shí)候就需要重新同步了。這時(shí)候就需要SJW，對seg1和seg2適當進(jìn)行延長(cháng)或縮短一定的TQ。

這看起來(lái)有點(diǎn)難理解，那么還是以時(shí)序圖來(lái)說(shuō)明，以相位超前超后例子。

相位超前，CAN控制器會(huì )根據sjw同步跳轉寬度進(jìn)行加入對應的TQ，使之sync_seg段能同步到下一個(gè)邊沿。

相位超后，CAN控制器會(huì )根據sjw同步跳轉寬度進(jìn)行減少對應的TQ，使之sync_seg段能同步到下一個(gè)邊沿。

在上面的闡述中，采樣點(diǎn)的取值范圍尤為重要，對于同步上也是比較關(guān)鍵的參數，在ISO中并無(wú)此建議值，但是在hpm_sdk中有提及，建議是75%到87.5%。

從上面講了一大堆，其實(shí)上面所闡述的一些同步均由CAN控制器實(shí)現，但是為了方便理解軟件開(kāi)發(fā)，是有必要了解。

CAN的位時(shí)序涉及到CAN時(shí)基、sync_seq、sjw、seg1和seg2。在先楫當中也有涉及到這些寄存器，分為仲裁段(標稱(chēng)位)和數據段位。需要注意的是：

先楫的CAN的seq1包括了位時(shí)序的sync_seg+prog_seg+phase_seq1。

先楫的CAN的seq2是位時(shí)序的phase_seq2。

根據ISO規定，sjw不計入到位時(shí)序中。

3、hpm_sdk的波特率設置API

sdk的CAN驅動(dòng)的波特率設置，寫(xiě)的比較貼心，提供了兩種方式來(lái)設置。一種是直接代入實(shí)際的波特率，第二種是自己寫(xiě)入位時(shí)序參數。根據use_lowlevel_timing_setting這個(gè)變量來(lái)決定哪種方式。

如果需要使能CANFD，則需要開(kāi)啟enable_canfd，超過(guò)1M的數據段波特率，建議開(kāi)啟enable_tdc。

這些參數的成員說(shuō)明可以查看SDK的can_config_t結構體，這里不做闡述。

對于直接代入實(shí)際的波特率的方式，sdk使用ISO文檔建議的位時(shí)序參數，適合通用的場(chǎng)合。

SDK中，根據波特率轉換成對應的位時(shí)序參數。API接口是can_set_bit_timing。里面調用了can_calculate_bit_timing這個(gè)API得出位時(shí)序參數帶入到CAN的對應寄存器中，完成波特率的設置。

can_calculate_bit_timing根據波特率和CAN時(shí)鐘先算出TQ和分頻系數相乘值num_tq_mul_prescaler，然后依次代入分頻系數直到算出tq和分頻系數等于num_tq_mul_prescaler，得出一個(gè)位時(shí)序的TQ數量，再根據采樣點(diǎn)范圍算出SEQ1和SEQ2，但會(huì )再匹配ISO建議的位時(shí)序參數的對應最小和最大值，保證在此范圍內。否則返回錯誤。

需要注意的是：

先楫的這個(gè)CAN外設的CANFD支持非ISO標準和ISO標準，也就是enable_can_fd_iso_mode，sdk默認是使用ISO標準，需要使用can_get_default_config這個(gè)API初始化參數。否則可能就是非ISO標準。

非ISO標準和ISO標準，對于經(jīng)典CAN不受影響，但是CANFD會(huì )報CRC錯誤。

（三）收發(fā)數據流程

對于CAN幀結構，這里不做闡述。調用ISO文檔的截圖理解:

上述提到，對于接收來(lái)說(shuō)，有16個(gè)FIFO；對于發(fā)送來(lái)說(shuō)，有8個(gè)副發(fā)送緩沖器。這樣對于收發(fā)來(lái)說(shuō)是相當足夠的。

在sdk當中，收發(fā)都提供了非阻塞和阻塞接口，分別對應的后綴是_noblocking或者blocking。

接收阻塞API：can_receive_message_blocking

接收非阻塞API：can_read_received_message

建議使用非阻塞API，開(kāi)啟接收中斷以及滿(mǎn)FIFO中斷。在中斷讀取FIFO數量，最大性能提取數據，然后依次調用can_read_received_message。比如：

對于發(fā)送：

阻塞接口：can_send_message_blocking

非阻塞接口：can_send_message_nonblocking

建議使用非阻塞接口，每次調用前判斷發(fā)送緩沖器是否滿(mǎn)，然后依次調用can_send_message_nonblocking塞入數據。比如：

（四）實(shí)現效果

HPM6750的四路CANFD，在500K仲裁段5M數據段的波特率下，可以幾乎跑滿(mǎn)載。

實(shí)驗平臺：hpm6750evkmini+stephen大佬開(kāi)發(fā)的CANFD適配擴展板。

三、總結

對于CAN的，本文主要闡述波特率設置、數據收發(fā)流程。其他的比如過(guò)濾器組設置、總線(xiàn)錯誤等后續再闡述。

先楫HPM_SDK對于CAN驅動(dòng)，相關(guān)API接口以及結構體定義比較清晰，容易入手使用。

先楫的CANFD的收發(fā)自帶FIFO緩存器，開(kāi)發(fā)者可以根據需求使用，可以提高收發(fā)性能，達到滿(mǎn)載測試性能。