CANFD 应用示例说明

中文 | English

简介

本示例展示了如何在 Titan Board 上使用 CANFD（CAN with Flexible Data Rate）接口，结合 RT-Thread CAN 驱动框架进行高速车载或工业通信。

主要功能包括：

初始化 CANFD 硬件接口
配置波特率、数据帧和时序参数
发送和接收标准帧/扩展帧
使用 RT-Thread CAN API 实现设备统一管理
支持中断、FIFO、DMA 高速数据传输

CAN 与 CAN FD 协议详解

1. CAN 协议概述

CAN（Controller Area Network） 是一种多主机串行通信协议，由 Bosch 在 1980 年代为汽车电子设计。其主要特点是高可靠性、实时性强，适用于汽车、工业自动化、智能设备等领域。

数据传输方式：基于差分信号的总线通信，使用 CAN_H 和 CAN_L 两根线。
通信模式：多主机，支持 非破坏性总线仲裁，即优先级高的报文可以先发送。
物理层标准：ISO 11898-2（高速 CAN）、ISO 11898-3（低速容错 CAN）。

2. CAN 协议帧格式

CAN 的数据传输以 帧（Frame） 为单位，主要分为以下几种帧类型：

数据帧（Data Frame）：传输数据
远程帧（Remote Frame）：请求数据
错误帧（Error Frame）：用于报告总线错误
过载帧（Overload Frame）：用于间隔时间控制

2.1 标准帧（CAN 2.0A）

帧标识符（ID）：11 位
数据长度（DLC）：0~8 字节
帧结构：

字段	长度	描述
SOF	1 bit	帧起始位
ID	11 bit	报文标识符
RTR	1 bit	数据帧/远程帧标志
IDE	1 bit	标准/扩展帧标志
r0	1 bit	保留位
DLC	4 bit	数据长度码
Data	0~8 bytes	数据域
CRC	15 bit + 1 bit	CRC 校验
ACK	2 bit	应答位
EOF	7 bit	帧结束

2.2 扩展帧（CAN 2.0B）

帧标识符（ID）：29 位
其它字段与标准帧类似，只是 ID 扩展了 18 位。

3. CAN 协议特性

非破坏性总线仲裁
- 利用 ID 的优先级，ID 越小优先级越高。
- 总线冲突时，低优先级报文自动停止发送，不影响高优先级报文。
差分信号传输
- CAN_H - CAN_L 差分传输，抗干扰能力强。
速度与长度
- 最高 1 Mbps（高速 CAN），传输距离与速率相关：
  - 1 Mbps → 最大 40 m
  - 500 kbps → 最大 100 m
  - 125 kbps → 最大 500 m
错误检测与容错
- CRC 校验
- 位填充（Bit Stuffing）
- ACK 检查
- 错误计数器管理，节点可自动离线

4. CAN FD 协议概述

CAN FD（Flexible Data-rate） 是 Bosch 在 2012 年推出的 CAN 协议扩展标准（ISO 11898-1:2015），解决传统 CAN 带宽不足和数据长度受限问题。

主要改进：
1. 数据长度扩展：从 8 字节提升到 64 字节
2. 可变数据速率：仲裁段保持原速率，数据段可以提高速率（通常 2~8 倍）

5. CAN FD 帧格式

5.1 CAN FD 数据帧结构

字段	描述
SOF	帧起始位
ID	11/29 位标识符
RTR	数据帧标志（远程帧不再使用）
IDE	扩展帧标志
FDF	CAN FD 数据帧标志
BRS	位速率切换（Bit Rate Switch）标志
ESI	错误状态指示
DLC	数据长度码（0~64 字节）
Data	数据字段（0~64 字节）
CRC	CRC 校验（17/21 bit）
ACK	应答位
EOF	帧结束位

BRS = 1：数据段以更高速率传输
ESI = 1：发送节点处于错误被动状态

6. CAN FD 特性

更大数据长度：最大 64 字节/帧
更高数据速率：数据段可提高至传统 CAN 速率的 2~8 倍
兼容性：CAN FD 节点可以与传统 CAN 节点共存，但 FD 功能需硬件支持
错误处理增强：保持 CAN 错误机制，同时增加 CRC 位数以适应更长数据

7. CAN 与 CAN FD 对比

特性	CAN	CAN FD
最大数据长度	8 字节	64 字节
数据速率	最高 1 Mbps	仲裁段 1 Mbps，数据段可 2~8 Mbps
帧格式	标准/扩展	标准/扩展，增加 FDF/BRS/ESI
兼容性	所有节点均支持	与传统 CAN 向下兼容，需要 FD 节点支持
CRC 校验	15-bit	17/21-bit
使用场景	车辆 ECU、工业控制	高速数据采集、摄像头、ADAS 系统

RA8 系列 CANFD 特性

RA8 系列 MCU 集成高性能 CANFD 控制器，支持 ISO CAN 2.0A/B 及 CANFD 协议，具备高速通信、灵活帧长度和硬件 FIFO 功能。

1. 基本参数

协议支持
- ISO CAN 2.0A/B（经典 CAN）
- CAN FD（Flexible Data Rate）
- 支持标准帧（11 位 ID）和扩展帧（29 位 ID）
数据帧长度
- CAN：0–8 字节
- CAN FD：0–64 字节
通信速率
- CAN：最高 1 Mbps
- CAN FD：数据段最高可达 8 Mbps（取决 MCU 时钟和 PHY）
硬件 FIFO
- RX/TX 独立 FIFO
- 支持多帧缓冲，提高数据吞吐量
- FIFO 触发中断，可结合 RT-Thread ISR 处理

2. 硬件特性

控制器架构
- 包含独立 RX/TX FIFO
- 硬件滤波器（标准 ID / 扩展 ID / 组合滤波）
- 自动重发、错误检测和总线状态监控
时序与波特率
- 支持独立 同步段、时间段 1/2、采样点 配置
- 支持 CAN FD 异步波特率（数据段波特率可不同于仲裁段）
- 提供自动比特率计算工具
中断机制
- 传输完成中断（TX）
- 接收帧中断（RX FIFO）
- 错误警告/被动中断
- 总线离线/恢复中断
DMA 支持
- 可与 MCU DMAC 协作，实现高速数据传输
- TX/RX FIFO 自动写入/读取内存
- 减少 CPU 占用
错误处理与总线监控
- 错误计数器（TEC / REC）
- 总线状态机（Error Active / Error Passive / Bus Off）
- 自动恢复机制

3. 帧格式

经典 CAN 帧
- 标准帧：11 位 ID，0–8 字节数据
- 扩展帧：29 位 ID，0–8 字节数据
CAN FD 帧
- 支持 0–64 字节数据长度
- 支持快速数据段（Higher Data Rate）
- 帧结构增加 BRS（Bit Rate Switch） 位用于数据段加速
帧标记与控制位
- RTR（Remote Transmission Request）
- IDE（Identifier Extension）
- FDF（CAN FD Frame）
- ESI（Error State Indicator）

4. 应用场景

汽车 ECU 通信
工业控制网络（如 CANopen、J1939）
实时传感器数据采集
高速数据日志记录和分布式控制

RT-Thread CAN 设备接口

RT-Thread CAN（Controller Area Network）框架 是 RT-Thread 设备驱动层提供的统一接口，用于管理各类 MCU 的 CAN 控制器硬件模块。该框架将底层 CAN 控制器抽象为标准设备接口，使应用程序能够通过统一 API 实现数据发送、接收与设备控制，从而支持跨平台的 CAN 通信开发。

1. 设备模型

在 RT-Thread 中，CAN 被作为 设备对象（struct rt_device 的子类，类型为 RT_Device_Class_CAN）进行管理。开发者无需直接操作底层寄存器，通过标准接口即可完成 CAN 设备的初始化、发送、接收和关闭操作。

2. 操作接口

应用程序通过 RT-Thread 提供的 I/O 设备管理接口访问 CAN 硬件，相关接口如下：

查找 CAN 设备

rt_device_t rt_device_find(const char* name);

打开 CAN 设备

rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflags);

控制 CAN 设备

rt_err_t rt_device_control(rt_device_t dev, rt_uint8_t cmd, void* arg);

发送数据

rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void* buffer, rt_size_t size);

设置接收回调函数

rt_err_t rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev, rt_err_t (*rx_ind)(rt_device_t dev, rt_size_t size));

接收数据

rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void* buffer, rt_size_t size);

关闭 CAN 设备

rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev);

3. 框架特点

设备抽象统一：所有硬件 CAN 控制器通过相同接口访问。
跨平台支持：应用程序可在不同 MCU 平台间移植，无需修改 CAN 操作代码。
高效通信：支持发送、接收与中断回调机制，实现实时数据处理。
灵活扩展：可结合多通道、过滤器和消息队列满足复杂通信需求。
安全可靠：通过硬件和软件结合的方式保证数据传输的完整性和可靠性。

参考：RT-Thread CAN 设备

硬件说明

FSP配置

新建两个 r_canfdlite Stack：

配置 CANFD0 stack：

配置 CANFD0 引脚：

配置 CANFD1 stack：

配置 CANFD1 引脚：

RT-Thread Settings 配置

使能 CANFD0 和 CANFD1：

工程示例说明

工程通过 canfd0 发送报文 canfd1 接收报文并将其使用串口打印。

发送代码示例：

static void can_tx_thread(void *parameter)
{
    struct rt_can_msg msg = {0};
    rt_size_t  size;
    msg.id = 0x78;              /* ID 为 0x78 */
    msg.ide = RT_CAN_STDID;     /* 标准格式 */
    msg.rtr = RT_CAN_DTR;       /* 数据帧 */
    msg.len = 8;                /* 数据长度为 8 */
    /* 待发送的 8 字节数据 */
    rt_memset(msg.data,0,sizeof(msg.data));
    while(1)
    {
        /* 发送一帧 CAN 数据 */
        for(int i = 0; i < 8; i++)
        {
            msg.data[i] = i;
        }
        size = rt_device_write(can0_dev, 0, &msg, sizeof(msg));
        if (size == 0)
        {
            rt_kprintf("can dev write data failed!\n");
        }
        rt_thread_delay(1000);
    }
}

int can_send(int argc, char *argv[])
{
    rt_err_t res;
    rt_thread_t thread;
    char can_name[RT_NAME_MAX];

    if (argc == 2)
    {
        rt_strncpy(can_name, argv[1], RT_NAME_MAX);
    }
    else
    {
        rt_strncpy(can_name, CAN0_DEV_NAME, RT_NAME_MAX);
    }
    /* 查找 CAN 设备 */
    can0_dev = rt_device_find(can_name);
    if (!can0_dev)
    {
        rt_kprintf("find %s failed!\n", can_name);
        return RT_ERROR;
    }

    /* 以中断接收及发送方式打开 CAN 设备 */
    res = rt_device_open(can0_dev, RT_DEVICE_FLAG_INT_TX | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
    RT_ASSERT(res == RT_EOK);
    /* 创建数据接收线程 */
    thread = rt_thread_create("can0_tx", can_tx_thread, RT_NULL, 1024, 25, 10);
    if (thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(thread);
    }
    else
    {
        rt_kprintf("create can_rx thread failed!\n");
    }

    return res;
}
/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(can_send, can device sample);

接收代码示例;

/* 接收数据回调函数 */
static rt_err_t can_rx_call(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    /* CAN 接收到数据后产生中断，调用此回调函数，然后发送接收信号量 */
    rt_sem_release(&rx_sem);

    return RT_EOK;
}

static void can_rx_thread(void *parameter)
{
    struct rt_can_msg rxmsg = {0};

    /* 设置接收回调函数 */
    rt_device_set_rx_indicate(can1_dev, can_rx_call);

    while (1)
    {
        /* hdr 值为 - 1，表示直接从 uselist 链表读取数据 */
        rxmsg.hdr_index = -1;
        /* 阻塞等待接收信号量 */
        rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        /* 从 CAN 读取一帧数据 */
        rt_device_read(can1_dev, 0, &rxmsg, sizeof(rxmsg));
        /* 打印数据 ID 及内容 */
        rt_kprintf("ID:%x\tmessege:", rxmsg.id);
        for(int i = 0; i < 8; i++)
        {
            rt_kprintf("%d",  rxmsg.data[i]);
        }
        rt_kprintf("\n");
    }
}

int can_receive(int argc, char *argv[])
{
    rt_err_t res;
    rt_thread_t thread;
    char can_name[RT_NAME_MAX];

    if (argc == 2)
    {
        rt_strncpy(can_name, argv[1], RT_NAME_MAX);
    }
    else
    {
        rt_strncpy(can_name, CAN1_DEV_NAME, RT_NAME_MAX);
    }
    /* 查找 CAN 设备 */
    can1_dev = rt_device_find(can_name);
    if (!can1_dev)
    {
        rt_kprintf("find %s failed!\n", can_name);
        return RT_ERROR;
    }

    /* 初始化 CAN 接收信号量 */
    rt_sem_init(&rx_sem, "rx_sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);

    /* 以中断接收及发送方式打开 CAN 设备 */
    res = rt_device_open(can1_dev, RT_DEVICE_FLAG_INT_TX | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
    RT_ASSERT(res == RT_EOK);
    /* 创建数据接收线程 */
    thread = rt_thread_create("can1_rx", can_rx_thread, RT_NULL, 1024, 25, 10);
    if (thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(thread);
    }
    else
    {
        rt_kprintf("create can_rx thread failed!\n");
    }
    return res;
}
/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(can_receive, can device sample);

编译&下载

RT-Thread Studio：在 RT-Thread Studio 的包管理器中下载 Titan Board 资源包，然后创建新工程，执行编译。

编译完成后，将开发板的 USB-DBG 接口与 PC 机连接，然后将固件下载至开发板。

运行效果

将 CAN0 与 CAN1 对接，分别输入 can_send 和 can_receive 命令进行回环测试。