灵动微电子MM32F0160系列MCU FlexCAN-FD通信应用指南

1、FlexCAN-FD简介

MM32F0160 系列MCU具有一个 FlexCAN 模块，该模块遵循 ISO 11898-1 标准、 CAN FD 和 CAN 2.0B 协议规范，不仅兼容传统CAN，还支持CAN FD模式。在CAN-FD模式下，可实现最高8 Mbps的FD模式通信速率，支持标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符），支持最大64字节有效负载，并且具有非常灵活的用于传输和接收的邮箱系统。

使用CAN FD较传统CAN具有如下优点：

（1）增加了数据长度，在发送长数据时，软件更加简单高效，满足更高的数据吞吐量。

（2）提高了传输速率，使得延迟时间更短，具有更好的实时性，满足更高的带宽。

（3）扩展了CRC场，为数据内容提供了更好的保护，增加了系统安全性。

本章节初步学习使用MM32F0160 FlexCAN-FD接口实现CAN FD通信，相关例程参考灵动官网的LibSamples或在此基础上修改。关于CAN FD协议不再进行详细介绍，感兴趣的小伙伴可以查阅相关资料增进了解。

2、CAN FD帧

ISO 11898-1标准指定了符合ISO 11898-1（2003）标准的经典帧格式，并引入了CAN FD（Flexible Data Rate）帧格式。经典帧格式支持高达1Mbps的比特率，以及每帧8字节的有效负载。FD帧格式支持超过1Mbps的比特率，以及每帧超过8字节的有效负载。FlexCAN可以收发CAN FD和经典CAN格式交替的报文。

CAN FD 帧中有三个附加的控制位：

●EDL：扩展数据长度位，支持更多的数据负载。

●BRS比特率切换位：决定CAN FD帧是否切换比特率。

●ESI错误状态指示：错误主动节点发送显性，错误被动节点发送隐性。

CAN FD格式不支持远程帧，远程帧总是以经典CAN格式传输。接收到FD帧并匹配邮箱时，接收报文缓冲区的RTR位将被无效化。

CAN FD报文数据字段可超过8字节，支持12至64字节。CAN FD报文可切换比特率，使CAN帧的控制字段、数据字段和CRC字段比特率高于帧的开始和结束。

CAN FD帧结构（部分）如下图所示：

CAN FD帧从SOF（帧起始）到BRS的仲裁段，以标称比特率传输；从BRS到CRC界定符的数据段，以数据比特率传输；从CRC界定符到Intermission位，传输恢复为标称比特率。如果CAN FD帧中BRS为隐性，则位时序在BRS的采样点发生变化。BRS位之前，CAN FD仲裁段的标称位时序由CAN_CBT或CAN_CTRL1寄存器定义；检测到隐性BRS时，数据位时序由CAN_FDCBT 寄存器定义。

3、协议时序

FlexCAN具有单独配置CAN FD协议时序的寄存器，CAN FD位时序寄存器（CAN_FDCBT）存储用于控制位时序参数的字段：FPRESDIV、FPROPSEG、FPSEG1、FPSEG2和FRJW。

CAN FD报文数据段的FDPRESDIV定义了串行时钟（Sclock）的预分频，见下列方程。串行时钟的周期定义了用于构成CAN FD波形的时间单位Tq，Tq为CAN引擎所能处理的最小时间单元。

比特率定义了接收或传输 CAN FD报文的速率，公式如下：

位时间可以细分为三个部分：

●同步段（SYNC_SEG）：1Tq的固定长度；信号边沿出现在该段内。

●时间段1：包括传播段和相位段1。FlexCAN 使用 CAN_FDCBT寄存器的FDPROPSEG和FDPSEG1字段，其总和（+1）为2 ~ 39Tq。

●时间段 2：包括相位段2。其值（+1）为2 ~ 8Tq。时间段2不能小于信息处理时间2Tq。

当采用CAN FD位作为持续时间的衡量标准时，一个CAN FD位的外设时钟个数NumClkBit为：

fCANFDCLK为PE时钟，单位Hz。

fSYS为系统（CHI）时钟频率，单位Hz。

4、报文缓冲区

MM32F0160 FlexCAN遵循CAN FD协议规范，该模块已经设计了对应的CAN FD报文缓冲区结构。经典 CAN 帧使用传统型 Rx FIFO，CAN FD帧使用增强型Rx FIFO。下图为FlexCAN所使用的报文缓冲区结构，包括CAN 2.0B的两种帧格式：扩展帧（29位ID）和标准帧（11位ID）。每个报文缓冲区由16、24、40或72字节组成，其中包括8、16、32或64字节的数据。邮箱使用 0x80 ~ 0x27F 的内存区域。

EDL — 扩展数据长度，EDL位区分CAN帧和CAN FD 帧。

BRS — 比特率切换，定义是否在 CAN FD 帧内切换比特率。

ESI — 错误状态指示，表示发送节点是错误主动还是错误被动。

CODE — 报文缓冲区代码，CODE 字段可以被 CPU 和 FlexCAN 读写，用作报文缓冲区匹配和仲裁过程的一部分。编码详见用户手册。

SRR — 替代远程请求，

●1：扩展帧格式传输时，必须使用隐性位。

●0：扩展帧格式传输时，显性位无效。

只用于扩展帧格式。传输时（发送缓冲区）该位必须设置为 1，且将会和从 CAN 总线上接收到的值一起存储于接收缓冲区。该位可以被接收为隐性或显性，如果 FlexCAN 以显性位接收，则认为仲裁丢失。

IDE — ID扩展位，

●1：扩展帧；

●0：标准帧。

RTR — 远程传输请求

●1：如果是发送MB，则表示当前MB可能有一个远程帧待发送；如果是接收MB，则接收到的远程帧将会被存储；

●0：表示当前的M 中有一个数据帧待传输。在接收MB中，可能会被用于匹配过程。

如果FlexCAN传输1（隐性），接收到0（显性），则认为仲裁丢失。如果 RTR传输0（显性），接收到1（隐性），则认为是位错误。如果接收到的值与发送值相同，则被认为是一次成功的位传输。

注：配置CAN FD帧时RTR位必须为0。

DLC — 数据字节长度

该4位字段为发送/接收数据的长度（以字节为单位），位于偏移地址为0x8到0xF的MB空间。

接收阶段，该字段由FlexCAN写入，从接收帧的DLC字段复制而得；

传输阶段，该字段由CPU写入，且与要传输的帧的DLC字段相对应。

当RTR = 1 时，被传输的帧为远程帧，不包含数据字段（DLC 字段的设置无效，参见表格“有效数据字节”）。

TIME STAMP — 自由运行计时器时间戳

该16位字段为自由运行计时器的复制，当标识符字段开头出现在CAN总线上时进行捕获。

PRIO — 本地优先级

该 3 位字段只有当MCR.LPRIO_EN被置位时才有效，且只针对传输邮箱。用于附加到 ID 来定义传输优先级，不会被传输。

ID — 帧标识符

标准帧格式，只有高 11 位（28 ~ 18）用于识别接收或发送帧，忽略低 18 位。扩展帧格式，所有位都用于识别传输或接收帧。

DATA BYTE0 ~ 63 — 数据字段

数据帧最多可以使用64个字节，取决于为MB选择的有效负载大小。从总线上接收到的帧以该帧被接收时的格式进行存放。只有n小于DLC时，DATA BYTE（n）才有效。

5、MB 内存映射

FlexCAN内存缓冲区的内存映射如下表所示：

6、FlexCAN-FD API

从灵动官网下载的FLEXCAN固件库中定义了FD相关的API函数如下：

7、FlexCAN-FD通信

配置FlexCAN为CAN FD模式，通过中断接收和发送报文。

7.1  FlexCAN配置

void FlexCAN_Configure(void)
{
    GPIO_InitTypeDef        GPIO_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStruct;

    flexcan_config_t        FlexCAN_ConfigStruct;
    flexcan_rx_mb_config_t  FlexCAN_RxMB_ConfigStruct;

    RCC_ClocksTypeDef RCC_Clocks;

    RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_GPIOB, ENABLE);

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_FLEXCAN, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource8, GPIO_AF_3);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_3);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = FLEX_CAN_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    FLEXCAN_GetDefaultConfig(&FlexCAN_ConfigStruct);

    FlexCAN_ConfigStruct.baudRate             = 1000000U; /* 1Mbps */
    FlexCAN_ConfigStruct.baudRateFD           = 2000000U; /* 2Mbps */
    FlexCAN_ConfigStruct.clkSrc               = Enum_Flexcan_ClkSrc1;
    FlexCAN_ConfigStruct.enableLoopBack       = false;
    FlexCAN_ConfigStruct.disableSelfReception = true;
    FlexCAN_ConfigStruct.enableIndividMask    = true;
    FLEXCAN_Init(FLEX_CAN1, &FlexCAN_ConfigStruct);

    FLEXCAN_EnterFreezeMode(FLEX_CAN1);

    FLEX_CAN1->MCR   |= 1 << 13;
    FLEX_CAN1->CTRL1 &= (~CAN_CTRL1_SMP(1));

    FLEXCAN_ExitFreezeMode(FLEX_CAN1);

    /* Baudrate calculate by automatically */
    FLEXCAN_FDCalculateImprovedTimingValues(FlexCAN_ConfigStruct.baudRate, FlexCAN_ConfigStruct.baudRateFD,
                                            RCC_Clocks.PCLK1_Frequency, &FlexCAN_ConfigStruct.timingConfig);

    FLEXCAN_FDInit(FLEX_CAN1, &FlexCAN_ConfigStruct, FLEXCAN_64BperMB, true);

    FLEXCAN_SetFDTxMbConfig(FLEX_CAN1, 1, true);
    FLEXCAN_SetFDTxMbConfig(FLEX_CAN1, 3, true);

    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.id     = FLEXCAN_ID_STD(0x111);
    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.format = Enum_Flexcan_FrameFormatStandard;
    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.type   = Enum_Flexcan_FrameTypeData;
    FLEXCAN_SetFDRxMbConfig(FLEX_CAN1, 0, &FlexCAN_RxMB_ConfigStruct, true);

    FLEXCAN_SetRxIndividualMask(FLEX_CAN1, 0, FLEXCAN_RX_MB_STD_MASK(0xFFF, 0, 0));

    /* Enable MB0 Interrupt */
    FLEX_CAN1->IMASK1 |= (0x01U << 0);

    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.id     = FLEXCAN_ID_EXT(0x222);
    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.format = Enum_Flexcan_FrameFormatExtend;
    FlexCAN_RxMB_ConfigStruct.type   = Enum_Flexcan_FrameTypeData;
    FLEXCAN_SetFDRxMbConfig(FLEX_CAN1, 2, &FlexCAN_RxMB_ConfigStruct, true);

    FLEXCAN_SetRxIndividualMask(FLEX_CAN1, 2, FLEXCAN_RX_MB_EXT_MASK(0xFFF, 0, 1));

    /* Enable MB2 Interrupt */
    FLEX_CAN1->IMASK1 |= (0x01U << 2);
}

配置PB8、PB9复用为FlexCAN的RX、TX引脚；

配置CAN 1Mbps和CAN FD 2Mbps、MB选择64字节负载；

配置NVIC中断；

配置MB1、MB3为发送邮箱；

配置MB0、MB2为接收邮箱；

MB0仅接收ID为0x111的标准帧；

MB2仅接收ID为0x222的扩展帧。

7.2  发送标准帧报文

void FlexCAN_FD_SendStandardFrameMessage(uint32_t ID, uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    flexcan_fd_frame_t FlexCAN_FD_FrameStruct;

    FlexCAN_FD_FrameStruct.length = Length;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.type   = (uint8_t)Enum_Flexcan_FrameTypeData;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.format = (uint8_t)Enum_Flexcan_FrameFormatStandard;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.brs    = 1;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.edl    = 1;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.id     = ID;

    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++)
    {
        FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] = Buffer[i * 4] << 24 | Buffer[i * 4 + 1] << 16 | Buffer[i * 4 + 2] << 8 | Buffer[i * 4 + 3];
    }

    FLEXCAN_WriteFDTxMb(FLEX_CAN1, 1, &FlexCAN_FD_FrameStruct);
}

flexcan_fd_frame_t是按照FlexCAN MB结构定义的结构体，将要发送的标准帧按照帧结构依次设置结构体的各字段，接着写入MB1发送邮箱。

7.3  发送扩展帧报文

void FlexCAN_FD_SendExtendFrameMessage(uint32_t ID, uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    flexcan_fd_frame_t FlexCAN_FD_FrameStruct;

    FlexCAN_FD_FrameStruct.length = Length;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.type   = (uint8_t)Enum_Flexcan_FrameTypeData;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.format = (uint8_t)Enum_Flexcan_FrameFormatExtend;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.brs    = 1;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.edl    = 1;
    FlexCAN_FD_FrameStruct.id     = ID;

    for (uint8_t i = 0; i < 16; i++)
    {
        FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] = Buffer[i * 4] << 24 | Buffer[i * 4 + 1] << 16 | Buffer[i * 4 + 2] << 8 | Buffer[i * 4 + 3];
    }

    FLEXCAN_WriteFDTxMb(FLEX_CAN1, 3, &FlexCAN_FD_FrameStruct);
}

同上，将要发送的扩展帧按照帧结构依次设置结构体的各字段，接着写入MB3发送邮箱。

7.4  获取报文并发送

void FlexCAN_FD_RxMB_Handler(uint8_t Index)
{
    uint8_t Buffer[64];
    flexcan_fd_frame_t FlexCAN_FD_FrameStruct;

    FLEXCAN_ReadFDRxMb(FLEX_CAN1, Index, &FlexCAN_FD_FrameStruct);

    for(uint8_t i = 0; i < 16; i++)
    {        
        Buffer[i*4+0] = (FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] >> 0x18) & 0xFF;
        Buffer[i*4+1] = (FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] >> 0x10) & 0xFF;
        Buffer[i*4+2] = (FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] >> 0x08) & 0xFF;
        Buffer[i*4+3] = (FlexCAN_FD_FrameStruct.dataWord[i] >> 0x00) & 0xFF;
    }

    if (Index == 0)
    {
        FlexCAN_FD_SendStandardFrameMessage((FlexCAN_FD_FrameStruct.id >> CAN_ID_STD_SHIFT), Buffer, FlexCANFD_TX_64Bytes_DataLen);
    }
    else
    {
        FlexCAN_FD_SendExtendFrameMessage((FlexCAN_FD_FrameStruct.id >> CAN_ID_EXT_SHIFT), Buffer, FlexCANFD_TX_64Bytes_DataLen);
    }
}

读接收邮箱（Index），获取CAN FD报文中的数据，并发送该报文。

7.5  中断服务子程序

void FlexCAN_IRQHandler(void)
{
    uint32_t u32flag = 1;

    /* MB0 */
    if (FLEXCAN_GetMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 0) != 0)
    {
        FlexCAN_FD_RxMB_Handler(0);

        FLEXCAN_ClearMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 0);
    }

    /* MB1 */
    if (FLEXCAN_GetMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 1) != 0)
    {
        FLEXCAN_ClearMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 1);
    }

    /* MB2 */
    if (FLEXCAN_GetMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 2) != 0)
    {
        FlexCAN_FD_RxMB_Handler(2);

        FLEXCAN_ClearMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 2);
    }

    /* MB3 */
    if (FLEXCAN_GetMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 3) != 0)
    {
        FLEXCAN_ClearMbStatusFlags(FLEX_CAN1, u32flag << 3);
    }
}

MB0、MB2完成接收调用MB接收函数，获取报文并通过MB1、MB3发送。MB1、MB3完成传输，清除对应标志。

7.6  FlexCAN_FD中断示例

void FlexCAN_FD_Interrupt_Sample(void)
{
    uint8_t Buffer[64] =
    {
        0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A,0x0B,0x0C,0x0D,0x0E,0x0F,0xAA,
        0xAA,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A,0x0B,0x0C,0x0D,0x0E,0x0F,0x55,
        0x55,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A,0x0B,0x0C,0x0D,0x0E,0x0F,0xAA,
        0xAA,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A,0x0B,0x0C,0x0D,0x0E,0x0F,0x88,
    };

    printf("\r\nTest %s", __FUNCTION__);

    FlexCAN_Configure();

    while (1)
    {
        FlexCAN_FD_SendStandardFrameMessage(0x214, Buffer, FlexCANFD_TX_64Bytes_DataLen);

        PLATFORM_LED_Toggle(LED1);
        PLATFORM_DelayMS(1000);
    }
}

调用FlexCAN_Configure()，在while中间隔1s中发送标准帧报文，帧ID为0x214，数据为定义好的Buffer[64]。

在主函数中调用FlexCAN_FD_Interrupt_Sample()。

8、验证

连接CAN调试工具，配置波特率CAN 1Mbps、CAN FD 2Mbps，观测上位机软件：

接收区间隔1s接收到一次FD报文，ID为0x214。

在发送区发送标准帧FD报文，ID为0x111，发送扩展帧FD报文，ID为0x222，各发送5次：

每发送1次报文，接收区接收到1次该ID的报文，和程序预期一致。