【STM32 CAN】STM32G47x 单片机FDCAN作为普通CAN外设使用教程

STM32G47x 单片机FDCAN作为普通CAN外设使用教程

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

硬件说明

这里使用的是STM32G473VET6主控芯片，具有三个CANFD外设，这些CAN外设同时支持传统CAN通信协议。

时钟配置情况

这里STM32主控的SYSCLK（系统时钟）为170MHz。使用外部晶振作为时钟源头。

CANFD外设作为普通CAN外设使用

CANFD外设

FDCAN外设子系统由一个CAN模块、一块共享的消息RAM和一个配置模块组成。可以参阅内存映射，以获取这些部分的基址。
这些模块（FDCAN）符合ISO 11898-1:2015（CAN协议规范版本2.0部分A、B）和CAN FD协议规范版本1.0。
每个FDCAN实例有0.8千字节的消息RAM，用于实现过滤器、接收FIFOs、传输事件FIFOs和传输FIFOs。

• 符合CAN协议版本2.0部分A、B和ISO 11898-1:2015、-4
• 支持最大64数据字节的CAN FD
• 具有CAN错误日志
• 支持AUTOSAR和J1939
• 具有改进的接收过滤器
• 具有两个接收FIFO，每个有三个有效载荷（每个有效载荷最多64字节）
• 具有高优先级消息接收时的单独信号提示
• 具有可配置的传输FIFO/队列，三个有效载荷（每个有效载荷最多64字节）
• 具有传输事件FIFO
• 具有可编程的环回测试模式
• 具有可屏蔽的模块中断
• 具有两个时钟域：APB总线接口和CAN核心内核时钟
• 具有支持断电

CANFD 通信速率计算

前置知识：
要计算CAN的通信速率首先都了解CAN通信过程中每个bit的构成。
一个电平位时间主要有以下4个段：

SS段（SYNC SEG；同步段）：若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围内，则表示节点与总线的时序是同步的；（固定1个Tq）
PTS段（PROP SEG；传播段）：这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间，是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时综合的两倍；（长度可编程：1~8个Tq）
PBS1段（PHASE SEG1；相位缓冲段1）：用于补偿节点间的晶振误差，允许通过重同步对该段加长，在这个时间段末端进行总线状态的采样；（长度可编程：1~8Tq）

协议层-位时序
意义：为了实现正确的总线电平采样，确保通讯正常。最小单位是Tq（Time Quantum）,一个完整位由8~25个Tq组成，其中一个电平位时间主要有以下4个段：

$$\begin{array}{ccc}\text{ 段名 }& \text{ 意义 }& \text{ 作用 }\\ \text{ SS(1Tq) }& \text{ Sync Seg；同步段}& \text{ 若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围内，则表示节点与总线的时序是同步的；（固定1个Tq） }\\ \text{ PTS(1-8Tq) }& \text{ Prob Seg；传播段 }& \text{ 这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间，，是传播时间、收发器延时之和的两倍 }\\ \text{ PBS1(1-8Tq) }& \text{ Phase Seg1；相位缓冲段1}& \text{ 补偿变压阶段误差 }\\ \text{ PBS2(2-8Tq) }& \text{ Phase Seg2；相位缓冲段2}& \text{ 补偿边沿阶段误差 }\\ \text{ SJW(1-4Tq) }& \text{ 再同步补偿宽度 }& \text{ 补偿时钟频率偏差、传输延迟等 }\end{array}$$

如下图所示：

$$CAN波特率=\frac{1}{1bit所占用时间}=\frac{1}{Tq\ast 1bit的Tq个数}$$

上面已经说明了一个数据位(1bit，准确来说是1baud)占**(SS+PTS+PBS1+PBS2+SJW)**个Tq。

STM32CubeMX界面参数

分别为（Nominal 我不知道为什么是Nominal 这个词，但是如果是CAN FD模式的话，这里NominalPrescaler、NominalSyncJumpWidth 、NominalTimeSeg1 、NominalTimeSeg2 是用于配置仲裁阶段波特率的，DataPrescaler 、DataSyncJumpWidth 、DataTimeSeg1 、DataTimeSeg2 是用于配置数据阶段波特率的。）：

• Basic Parameters:

  • Clock Divider: CAN内核时钟分频系数。
  • Frame Format: 指定CAN帧格式，这里是经典CAN(CAN2.0 B)、FD模式没有比特率切换、FD模式有比特率切换。
  • Mode: 指定CAN控制器的工作模式，如正常模式、环回模式或静默模式。
  • Auto Retransmission: 是否使能自动重发。
  • Transmit Pause: 是否配置禁止传输暂停特性。
  • Protocol Exception: 协议异常处理使能。
  • Nominal Sync Jump Width: 规定名义重同步跳跃宽度，用于时间同步,，即位时序提到的SJW。用于动态调节 Phase_Seg1和 Phase_Seg1，所以不可以比Phase_Seg1和 Phase_Seg1大.
  • Data Prescaler: 数据速率预分频值。CAN时钟分配设置，一般设置为1即可，全部由PLL配置好，tq = NominalPrescaler x (1/ fdcan_ker_ck)，范围1-32。
  • Data Sync Jump Width: 数据阶段的同步跳跃宽度。用于动态调节 Phase_Seg1和 Phase_Seg1，所以不可以比Phase_Seg1和 Phase_Seg1大，范围1-16
  • Data Time Seg1: 数据位时间段1的长度。特别注意这里的Seg1，这里是两个参数之和，对应位时间特性图的 Pro_Seg + Phase_Seg1。
  • Data Time Seg2: 数据位时间段2的长度。对应位时间特性图的 Phase_Seg2。（Pro_Seg + Phase_Seg1 = DataTimeSeg1， Phase_Seg2 = DataTimeSeg2）
  • Std Filters Nbr: 设置标准ID过滤器个数，范围0-128。是配置CAN接受时候使用的滤波器数量，用了多少个就写多少个。
  • Ext Filters Nbr: 设置扩展ID过滤器个数，范围0-64。
  • Tx Fifo Queue Mode: 发送FIFO队列模式。

• Bit Timings Parameters 位定时参数:

  • Nominal Prescaler: 名义速率预分频器值。CAN时钟分配设置，一般设置为1即可，全部由PLL配置好，tq = NominalPrescaler x (1/ fdcan_ker_ck)。
  • Nominal Time Quantum: 名义时间量子的长度。
  • Nominal Time Seg1: 名义位时间段1的长度。用于动态调节 Phase_Seg1和 Phase_Seg1，所以不可以比Phase_Seg1和 Phase_Seg1大。
  • Nominal Time Seg2: 名义位时间段2的长度。特别注意这里的Seg1，这里是两个参数之和，对应位时间特性图的 Pro_Seg + Phase_Seg1.（Pro_Seg + Phase_Seg1 = NominalTimeSeg1， Phase_Seg2 = NominalTimeSeg2）
  • Nominal Time for one Bit: 名义单比特时间。
  • Nominal Baud Rate: 名义波特率。

一般没有配置SJW，且STM32的CAN外设的Sync_Seg是固定值1，并且有：
CAN 波特率 = CAN Freq / (Sync_Seg + Pro_Seg + Phase_Seg1 + Phase_Seg2)

关于滤波器数量：

在CAN协议里，报文的标识符不代表节点的地址，而是跟报文的内容相关的。因此，发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。节点在接收报文时,根据标识符(CAN ID)的值决定软件是否需要该报文；如果需要，就拷贝到SRAM里；如果不需要，报文就被丢弃且无需软件的干预。
为满足这一需求，bxCAN为应用程序提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组(13~0)，以便只接收那些软件需要的报文。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。每个过滤器组x由2个32位寄存器，CAN_FxR0和CAN_FxR1组成。

在这个案例中CAN模块的时钟源为PCLK1，为170MHz。

如下图是在CAN使用上图的时钟源的情况下配置125Kbps的波特率，配置为传统CAN模式的情况，作为传统CAN模式，参数DataPrescaler 、DataSyncJumpWidth 、DataTimeSeg1 、DataTimeSeg2没有作用。

测试代码

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_FDCAN1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  HAL_FDCAN_Start(&hfdcan1);

  //CAN2.0B 拓展帧消息发送
  FDCAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
  uint8_t TxData[8];
  TxHeader.Identifier = 0x321;
  TxHeader.IdType = FDCAN_EXTENDED_ID;
  TxHeader.TxFrameType = FDCAN_DATA_FRAME;
  TxHeader.DataLength = FDCAN_DLC_BYTES_8;
  TxHeader.ErrorStateIndicator = FDCAN_ESI_ACTIVE;
  TxHeader.BitRateSwitch = FDCAN_BRS_OFF;
  TxHeader.FDFormat = FDCAN_CLASSIC_CAN;
  TxHeader.TxEventFifoControl = FDCAN_NO_TX_EVENTS;
  TxHeader.MessageMarker = 0;

  TxData[0] = 0x00;
  TxData[1] = 0x01;
  TxData[2] = 0x02;
  TxData[3] = 0x03;
  TxData[4] = 0x04;
  TxData[5] = 0x05;
  TxData[6] = 0x06;
  TxData[7] = 0x07;

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_Delay(200);
    
    if (HAL_FDCAN_GetTxFifoFreeLevel(&hfdcan1) > 0)
    {
      if (HAL_FDCAN_AddMessageToTxFifoQ(&hfdcan1, &TxHeader, TxData) != HAL_OK)
      {
        Error_Handler();
      }
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

运行结果：

如图为CANH对CANL的波形，发送端接了120欧姆的终端电阻，接收测悬空，在接收测测量。（主要是我还没有看到为什么不接CAN隔离芯片或者没有给CAN隔离芯片上电的情况下测不到发送出来的波形。）

CANFD过滤器配置有个FDCAN_FILTER_RANGE_NO_EIDM，其中EIDM是扩展ID屏蔽寄存器

/** @defgroup FDCAN_filter_type FDCAN Filter Type
  * @{
  */
#define FDCAN_FILTER_RANGE         ((uint32_t)0x00000000U) /*!< Range filter from FilterID1 to FilterID2                        */
#define FDCAN_FILTER_DUAL          ((uint32_t)0x00000001U) /*!< Dual ID filter for FilterID1 or FilterID2                       */
#define FDCAN_FILTER_MASK          ((uint32_t)0x00000002U) /*!< Classic filter: FilterID1 = filter, FilterID2 = mask            */
#define FDCAN_FILTER_RANGE_NO_EIDM ((uint32_t)0x00000003U) /*!< Range filter from FilterID1 to FilterID2, EIDM mask not applied */