【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：

段名意义作用 SS(1Tq) 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(1-8Tq) Prob Seg；传播段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 PBS1(1-8Tq) Phase Seg1；相位缓冲段1 补偿变压阶段误差 PBS2(2-8Tq) Phase Seg2；相位缓冲段2 补偿边沿阶段误差 SJW(1-4Tq) 再同步补偿宽度补偿时钟频率偏差、传输延迟等 \begin{array}{|c|c|c|} \hline \text { 段名 } & \text { 意义 } & \text { 作用 } \\ \hline \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） } \\ \hline \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 } \\ \hline \text { PBS1(1-8Tq) } & \text { Phase Seg1；相位缓冲段1} & \text { 补偿变压阶段误差 } \\ \hline \text { PBS2(2-8Tq) } & \text { Phase Seg2；相位缓冲段2} & \text { 补偿边沿阶段误差 } \\ \hline \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 } \\ \hline \end{array} 段名 SS(1Tq) PTS(1-8Tq) PBS1(1-8Tq) PBS2(2-8Tq) SJW(1-4Tq) 意义 Sync Seg；同步段 Prob Seg；传播段 Phase Seg1；相位缓冲段1 Phase Seg2；相位缓冲段2 再同步补偿宽度作用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）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补偿变压阶段误差补偿边沿阶段误差补偿时钟频率偏差、传输延迟等

如下图所示：

C A N 波特率 = 1 1 b i t 所占用时间 = 1 T q ∗ 1 b i t 的 T q 个数 CAN波特率 = \frac{1}{1bit所占用时间} = \frac{1}{Tq*1bit的Tq个数} CAN波特率=1bit所占用时间1=Tq∗1bit的Tq个数1

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

c 复制代码

/**
  * @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。）