玩转先楫CANFD外设系列之一：轻松搞起CANFD

 

一、概述

先楫的CANFD外设，有两个CANFD的IP，其中HPM6700系列，HPM6400系列、HPM6300系列使用的是CAN，包括了经典CAN和CANFD。而HPM6200系列则使用的MCAN系列，同样也包括了经典CAN和CANFD。两个CANFD有所差异，hpm_sdk也分为了两个驱动文件，但基本的操作接口保持一致。

 

本文阐述HPM6700系列，HPM6400系列、HPM6300系列的CAN，这里就统称为CAN。MCAN部分后续文章阐述。

 

先楫的CAN外设功能比较丰富，比如涉及到各种CAN模式、CAN错误警告提示、时间戳等等。可以看看手册CAN特征描述。

 

    

本文主要介绍CAN的基础配置（引脚时钟初始化，波特率设置，正常模式下的收发流程），其他的功能可参考hpm_sdk，后续根据需要也会进行文章阐述。
 

 

本文以hpm_sdk的操作接口API为例子，进而介绍CAN的相关知识。

关于更多的CAN/CANFD知识可以访问CIA官网，spec文档可以参考ISO11898-1-2015。本文部分阐述都是基于CIA和ISO的描述参考。

 

二、实现流程

hpm_sdk中，关于can的例子在samples/drivers/can。使用的板子为hpm6750evk2.

 

（一）引脚初始化和功能时钟初始化

对于CAN的引脚初始化，极其简单，只需要把引脚复用为CAN功能即可。参考hpm6750evk2的board中的CAN初始化。参考board_init_can API

    

对于CAN功能时钟的开启，在hpm6750手册中，默认时钟由时钟源PLL1_CLK1F五分频得到，PLL1_CLK1为400M，那么CAN的功能时钟就为80M.

    

同样sdk当中也做了相关时钟初始化，参考board_init_can_clock API

 

（二）波特率设置

对于CAN差分信号，这里不做阐述，本文统称的高低电平均为逻辑0和1。

跟uart一样，都是需要每个位的的时间确定，保持双方采样的准确。在CAN的概念中，有一个比较重要的次，BitTime(CAN位时间)，这个决定一个bit传输需要的时间，这也决定了波特率。比如一个位传输200ns，那么1S就可以传输100000000(ns)/200(ns) = 5000000bit，也就是5Mbps波特率。

在先楫官方HPM6700_HPM6400_UM手册当中，对于CAN位时间有这么一段描述。

可以看到，一个位时序还包括了Sync_seg、Prop_Seg、Phase_Seg1, Phase_Seg2。Sample point指的是采样点，也就是这段电平保持时间中的采样位置点，比如200ns的位时间，采样点80%，那么就是在160ns中采样决定他是0或者是1。

在ISO11898-1:2015中，文档也说明了这部分参数的定义。

 

这里比较重要的是Sync_Seg，这部分的位时间指的是同步段，用来同步CAN总线的节点，若检测到的跳变沿被包含在此段的范围内，那么时序就是同步的，采样点sample_point采样到的电平就是该位的电平。上述可知道，该段的时间固定为1TQ，其他段时间均是相位的缓冲段，补偿边沿阶段的误差，保证位电平的稳定和重新同步。具体可看ISO文档解释。

如果两个节点位时间不同（各个位段时间不同），也就如果波特率不一样或者差别到一定程度(CAN的波特率有一定的范围，只要能保证采样点的位置大致相同)，那么采样到的数据也有可能不一样。所以对于位时间的各个段的参数需要保持一致，以便通信同步一致。

 

如果两个节点位时间相同，CAN控制器会自身保持同步，同步的方式有两种：硬同步和重新同步。

 

这两种方式都必须遵守以下规则：

(1)、一位时间内（两个采样点之间）只允许一次同步。检测到边沿后，应禁用同步，直到下一次在采样点检测到的总线状态为隐性。

 

(2)、仅当在前一个采样点检测到的总线状态（前一个读总线状态）为隐性时，边沿才应引起同步

 

(3)、当节点处于总线集成状态时，在帧间间隔期间（除了间歇的第一位），以及在 CANFD 帧内，应在边缘上执行硬同步。也就是在SOF上开始硬同步，其他bit都在重新同步。

 

(4)、满足规则 1 和 2 的所有其他隐性到显性边缘均应用于重新同步，但有一个例外：传输 CANFD 帧的节点在传输该帧的数据阶段时不应同步，而采取重新同步。

 

这里截取了ISO文档说明：

 

 

1、硬件同步

在以上规则中，我们可以通过检测SOF帧起始，SOF帧的开始就是在CAN总线空闲下(连续11个位的隐形电平，也就是逻辑1)，一旦有显性电平出现，那就是有SOF帧开始，根据上述规则1和2,可以直接使用的是硬同步。硬同步会强制把位时间拉至边沿，保持同步。这个阶段不受同步跳转宽度SJW限制。
 

 

ISO文档同样也有说明：

    

比如：以下波形，当检测到SOF时候，CAN控制器需要满足ISO标准，执行硬同步。

 

2、重新同步

如果在仲裁段相当比较长的时间内，比如ID段，连续的传输会带来相位的左右偏移，这时候就需要重新同步了。这时候就需要SJW，对seg1和seg2适当进行延长或缩短一定的TQ。

 

这看起来有点难理解，那么还是以时序图来说明，以相位超前超后例子。

相位超前，CAN控制器会根据sjw同步跳转宽度进行加入对应的TQ，使之sync_seg段能同步到下一个边沿。

 

相位超后，CAN控制器会根据sjw同步跳转宽度进行减少对应的TQ，使之sync_seg段能同步到下一个边沿。

 

在上面的阐述中，采样点的取值范围尤为重要，对于同步上也是比较关键的参数，在ISO中并无此建议值，但是在hpm_sdk中有提及，建议是75%到87.5%。
 

 

从上面讲了一大堆，其实上面所阐述的一些同步均由CAN控制器实现，但是为了方便理解软件开发，是有必要了解。

CAN的位时序涉及到CAN时基、sync_seq、sjw、seg1和seg2。在先楫当中也有涉及到这些寄存器，分为仲裁段(标称位)和数据段位。需要注意的是：

先楫的CAN的seq1包括了位时序的sync_seg+prog_seg+phase_seq1。

 

先楫的CAN的seq2是位时序的phase_seq2。

 

根据ISO规定，sjw不计入到位时序中。

 

 

 

3、hpm_sdk的波特率设置API

sdk的CAN驱动的波特率设置，写的比较贴心，提供了两种方式来设置。一种是直接代入实际的波特率，第二种是自己写入位时序参数。根据use_lowlevel_timing_setting这个变量来决定哪种方式。

如果需要使能CANFD，则需要开启enable_canfd，超过1M的数据段波特率，建议开启enable_tdc。

这些参数的成员说明可以查看SDK的can_config_t结构体，这里不做阐述。

    

对于直接代入实际的波特率的方式，sdk使用ISO文档建议的位时序参数，适合通用的场合。

    

SDK中，根据波特率转换成对应的位时序参数。API接口是can_set_bit_timing。里面调用了can_calculate_bit_timing这个API得出位时序参数带入到CAN的对应寄存器中，完成波特率的设置。

 

can_calculate_bit_timing根据波特率和CAN时钟先算出TQ和分频系数相乘值num_tq_mul_prescaler，然后依次代入分频系数直到算出tq和分频系数等于num_tq_mul_prescaler，得出一个位时序的TQ数量，再根据采样点范围算出SEQ1和SEQ2，但会再匹配ISO建议的位时序参数的对应最小和最大值，保证在此范围内。否则返回错误。

 

需要注意的是：

先楫的这个CAN外设的CANFD支持非ISO标准和ISO标准，也就是enable_can_fd_iso_mode，sdk默认是使用ISO标准，需要使用can_get_default_config这个API初始化参数。否则可能就是非ISO标准。

非ISO标准和ISO标准，对于经典CAN不受影响，但是CANFD会报CRC错误。

 

（三）收发数据流程

对于CAN帧结构，这里不做阐述。调用ISO文档的截图理解:

 

 

上述提到，对于接收来说，有16个FIFO；对于发送来说，有8个副发送缓冲器。这样对于收发来说是相当足够的。

在sdk当中，收发都提供了非阻塞和阻塞接口，分别对应的后缀是_noblocking或者blocking。

 

接收阻塞API：can_receive_message_blocking

接收非阻塞API：can_read_received_message

建议使用非阻塞API，开启接收中断以及满FIFO中断。在中断读取FIFO数量，最大性能提取数据，然后依次调用can_read_received_message。比如：

 

对于发送：

阻塞接口：can_send_message_blocking

非阻塞接口：can_send_message_nonblocking

建议使用非阻塞接口，每次调用前判断发送缓冲器是否满，然后依次调用can_send_message_nonblocking塞入数据。比如：

 

（四）实现效果

HPM6750的四路CANFD，在500K仲裁段5M数据段的波特率下，可以几乎跑满载。

    

实验平台：hpm6750evkmini+stephen大佬开发的CANFD适配扩展板。

 

三、总结

对于CAN的，本文主要阐述波特率设置、数据收发流程。其他的比如过滤器组设置、总线错误等后续再阐述。

 

先楫HPM_SDK对于CAN驱动，相关API接口以及结构体定义比较清晰，容易入手使用。

 

先楫的CANFD的收发自带FIFO缓存器，开发者可以根据需求使用，可以提高收发性能，达到满载测试性能。