ZYNQ的PS中包含了2个CAN接口，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B，最高可支持1Mbps的波特率。CAN作为工业应用中的一个重要的总线标准，广泛应用于各行各业之中。本教程介绍了ZYNQ中PS端CAN接口的基本使用方法。

实验目的：

1:熟悉CAN总线协议

2:通过阅读ug585(ZYNQ) , ug1085 (MPSOC)，熟悉ZYNQ CAN控制器的硬件资源

3:通过VITIS-SDK 实现CAN的收发测试程序

4:利用CAN分析仪以及配套的软件工具实现CAN协议的收发测试

5:能够修改不同的波特率进行CAN总线通信

CAN总线采用差分驱动，CAN总线空闲或者默认状态输出隐性电平1，如下图所示，输出1的情况下， Vcan_H相比于中间电平，只是略高，Vcan_L比中间电平略低。当输出0的时候，Vcan_L远高于中间电平，而Vcan_H远低于中间电平。

CAN总线中的数据以帧为单位，一共包含5种类型的帧，分别为：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

CAN帧格式如下图所示，CAN 2.0A中使用的是标准帧，CAN 2.0B中使用的是扩展帧。标准帧和扩展帧的区别在于扩展帧增加了18bit的扩展标识符。一般情况下，与用户直接相关的只有数据帧和远程帧。数据帧和远程帧都可以使用标准帧格式或者扩展帧格式。

以上对关键的概念解释如下：

SOF代表CAN的起始位，显性显示0

RTR的全称为“远程发送请求(Remote TransmissionRequest)”，数据帧中位显性0，远程帧中位隐性1

IDE (Identifier Extension，标志符扩展)位如果是显性0代表是标准帧，否则隐性1代表是扩展帧。

SRR替代远程请求(Substitute Remote Request，SRR)位为隐性1

R0，R1保留位

DLC,数据长度最大8

数据域，最大64bits

CRC校验 15 bits

CRC分隔符1bit

ACK 2 bits

EOF 7 bits

一个数据帧由7个不同的部分组成，分别为：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、 CRC段、ACK应答段、帧结尾。如下图所示。

帧起始和帧结尾说明如下图所示。

仲裁段说明如下图所示。

控制段说明如下图所示。

数据段说明如下图所示。

CRC段说明如下图所示。

ACK段说明如下图所示。

远程帧结构如下图所示。与数据帧相比只缺少了数据段。

数据帧与远程帧的对比如下图所示。

在CAN的底层协议里将CAN数据的每一位时间(TBit）分为许多的时间段(Tscl)，这些时间段包括：

A． 位同步时间(Tsync)

B． 时间段1(Tseg1)

C． 时间段2(Tseg2)

其中位同步时间占用1个Tscl；时间段1占用(Tseg1+1)个Tscl；时间段2占用(Tseg2+1)个Tscl,所以CAN控制器的位时间(TBit)就是：TBit=Tseg1+Tseg2+Tsync=(TSEG1+TSEG2+3）*Tscl，那么CAN的波特率 (CANbps)就是1/TBit。

但是这样计算出的值是一个理论值。在实际的网络通信中由于存在传输的延时、不同节点的晶体的误差等因素，使得网络CAN的波特率的计算变得复杂起来。CAN在技术上便引入了重同步的概念，以更好的解决这些问题。这样重同步带来的结果就是要么时间段1(Tseg1)增加TSJW（同步跳转宽度SJW+1），要么时间段减少TSJW

CAN有波特率的值四以下几个元素决定：

A． 最小时间段Tscl；

B． 时间段1 TSEG1；

C． 时间段2 TSEG2；

D． 同步跳转宽度 SJW

那么Tscl又是怎么计算的呢？这是总总线时序寄存器中的预分频寄存器BRP派上了用场，Tscl＝（BRP+1）/FVBP。FVBP为微处理器的外设时钟。

而TSEG1与TSEG2又是怎么划分的呢？TSEG1与TSEG2的长度决定了CAN数据的采样点，这种方式允许宽范围的数据传输延迟和晶体的误差。其中TSEG1用来调整数据传输延迟时间造成的误差，而TSEG2则用来调整不同点节点晶体频率的误差。但是他们由于过于灵活，而使初次接触CAN的人有点无所适从。TSEG1与TSEG2的是分大体遵循以下规则： Tseg2≥Tscl2，Tseg2≥2TSJW，Tseg1≥Tseg2

总的来说，对于CAN的波特率计算问题，把握一个大的方向就行了，其计算公式可了规结为： BitRate = Fpclk/( (BRP+1) * ((Tseg1+1)+(Tseg2+1)+ 1)

除了波特率之外，CAN接口还有1个重要的参数就是单bit数据的采样时间。采样时间通常用采样点时间位于整个bit时间内的百分比来表示。

(Sync_Seg+ Prog_Seg+ Phase_Seg1)/( Sync_Seg+ Prog_Seg+ Phase_Seg1+ Phase_Seg2)

如下图所示，采样点位置为(1+1+4)/(1+1+4+2)=75%。

与采样时间相关的有如下几个重要参数。

确定Prog_Seg、Phase_Seg1、Phase_Seg2 、TSJW的值需要遵循如下几个原则：

关于CAN采样时间点位置的选取，网上有很多不同的说法，有75%、80%、87.5%、80%~90%等等，CiA官网也没有给出标准值。那么CAN的采样时间应该设置为多少才算合理？对于这个问题并没有1个绝对固定的标准值。对于不同的行业，不同的CAN高层协议(CANopen、DeviceNet等)，以及不同的国家都有不同的经验值。

以应用较为广泛的CANopen协议为例，在2002年的CANopen CiA301 v4.0.2版本规范中，对于采用时间的建议值如下图所示。500k及以下波特率，采样时间建议值为14/16=87.5%，800k为8/10=80%，1M为6/8=75%。

然而，在2011年的最新版本CiA301 v4.2.0中，对于采样时间作了细微调整，将建议值均统一成了87.5%。而且给出了有效采样时间的可选范围。如下图所示。

因此，采样时间的选择并没有1个绝对的标准值，针对不同应用和不同行业都会存在变化。但是要确保在同一个CAN网络中所有节点设备的采样时间均保持一致，这样才能保证CAN通信的稳定性。

广州周立功作为国内CAN产品的领先者，使用了CiA CANopen的建议值，即采样时间为87.5%，SJW=1 tq。因此，我们以此作为CAN接口的设计参考标准。

波特率与采样时间的计算互相关联。计算步骤如下：

手动逐个计算这些参数相对比较繁琐，可以借助广州周立功提供的一款波特率计算工具BtrCal自动计算各项参数。下载页面：CANalyst应用协议分析工具-广州致远电子股份有限公司.

根据公式：BitRate = Fpclk/( (BRP+1) * ((Tseg1+1)+(Tseg2+1)+1)

其中BitRate=0.5MHZ, Fpclk=100MHZ,可以算出

Fpclk/ BitRate=( (BRP+1) * ((Tseg1+1)+( Tseg1+1)+ 1)

200=( (BRP+1) * ((5+1)+( 0+1)+(0+1))

若所需要的波特率计算结果无法满足误差为0时获得87.5%的采样点，则可以取相对较近的值，且适当增大SJW，以提高波特率的适应性。例如，800k波特率计算结果，如下图所示。取80%（满足75%~90%）采样点时的参数，TS1=2+1=3，TS2=0+1=1，BRP=24+1=25。

ZYNQ包含2个CAN控制器，分别是CAN0和CAN1，可以引出到MIO上，也可以引出到PL的EMIO。对应的全局中断号分别是IRQ #ID 60 和IRQ #ID 83,CAN的参考时钟可以通过内部PLL设置也可以外部提供。波特率计算公式如下，其中BRP是预分频寄存器的分频系数。

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CAN控制器的功能模块包括了对象层（用于缓存数据和过滤数据），以及数据协议层。数据协议层主要依据CAN协议格式完成数据bitstream 流的收发。

对象层主要包括了发送数据通道、接收数据通道、配置寄存器。

其中发送数据通道包含了TX FIFO、TX HPB、TX 极性逻辑；接收数据通道包含了RX接收过滤器、RX FIFO。

CAN控制器有一个发送TXFIFO和一个接收RXFIFO,每个FIFO具有缓存64条消息。从TXFIFO发送数据的总延迟是2倍的TX驱动器延迟+传播延迟+ RX驱动器延迟。

每个控制器还具有一个传输高优先级缓冲区（TXHPB），该缓冲区为一条发送消息提供存储。写入此缓冲区的消息具有最大的传输优先级。 它们在当前传输完成后立即排队等待传输，从而抢占了TXFIFO中的任何消息。

    TX发送优先权控制逻辑

接收过滤器使用用户定义的接收掩码和ID寄存器对传入的消息进行排序，以确定是将消息存储在RXFIFO中，还是确认并丢弃它们。通过接收过滤器传递的消息存储在RXFIFO中。

配置寄存器用于对CAN的工作模式当执行以下任何操作时，无论运行模式如何，CAN控制器都会进入配置模式。

•向SRR寄存器的[CEN]位写入0。

•向SRR寄存器的[SRST]位写入1。 重置软件后，控制器立即进入配置模式。

•在复位输入上驱动0。 只要复位为0，控制器就将继续处于复位状态。在将复位取反为1后，控制器将进入配置模式。

以下对CAN的工作模式做简单介绍

根据Bosch和IEEE规范定义的TX和RX I / O信号发送和接收消息。

睡眠模式可用于在空闲时间节省少量电量。在睡眠模式下，控制器可以转换到正常模式或配置模式。睡眠模式包括以下操作。

•当另一个节点发送消息时，控制器接收到该消息并退出睡眠模式。

•当有新的TX请求时，控制器将切换到正常模式并为该请求提供服务。

•当控制器进入睡眠模式时，可能会产生中断。

•控制器唤醒时可能会产生中断。

当CAN总线活动或TXFIFO或TXHPB中有请求时，硬件会退出睡眠模式。当控制器退出睡眠模式时，硬件会将can.MSR [SLEEP]设置为0，并且会产生中断。

当[MSR]中的[LBACK]位为0，MSR寄存器中的[SLEEP]位为1，SRR寄存器中的[CEN]位为1时，CAN控制器将从配置模式进入睡眠模式。CAN 仅当没有来自TXFIFO或TX高优先级缓冲器的未决发送请求时，控制器才进入睡眠模式。

仅当[SLEEP]位为1，CAN总线空闲，并且没有来自TXFIFO或TX高优先级缓冲器（TXHPB）的挂起传输请求时，CAN控制器才从正常模式进入睡眠模式。

当另一个节点发送消息时，CAN控制器接收到发送的消息并退出睡眠模式。当控制器处于睡眠模式时，如果有来自TXFIFO或TXHPB的新传输请求，这些请求将得到处理，并且CAN控制器将退出睡眠模式。当CAN控制器进入睡眠模式或从睡眠模式唤醒时，将产生中断。从睡眠模式，CAN控制器可以进入配置模式或正常模式。

回送模式用于诊断目的。在环回模式下，必须将控制器编程为进入配置模式或发出一个复位信号。在环回模式下，将发生以下操作。

•控制器将隐性位流传输到CAN_PHY_TX总线信号上。

•TX消息在内部循环回到RX线路并得到确认。

•TX消息不在CAN_PHY_TX总线信号上发送。 控制器接收其发送的所有消息。

•控制器未收到其他CAN节点发送的任何消息。

监听模式用于诊断目的。在侦听模式下，必须将控制器编程为进入配置模式或保持复位状态。 在监听模式下，将发生以下操作。

•控制器将隐性位流传输到CAN总线上。

•控制器不参与正常的总线通讯。

•控制器接收其他CAN节点发送的消息。

•软件可以对验收过滤器进行编程，以动态启用/禁用和更改标准。 错误计数器被禁用并清除为0。读取错误计数器寄存器将返回0。

支持的模式转换如图20-3所示。 转换主要由复位，[CEN]位，MSR寄存器设置和硬件唤醒机制控制。

要从配置模式进入普通模式，必须执行以下步骤。

•清除can.MSR [LBACK，SNOOP，SLEEP] = 0。

•设置can.SRR [CEN] = 1。

要从正常模式进入睡眠模式（产生中断），请设置can.MSR [SLEEP] = 1。

导致控制器退出睡眠模式（产生中断）的事件包括以下步骤。

•RX信号活动（硬件设置can.MSR [SLEEP] = 0）。

•TXFIFO或TXHPB活动（硬件集can.MSR [SLEEP] = 0）。

•软件将0写入can.MSR [SLEEP]。

CAN协议引擎主要由位定时逻辑（BTL）和位流处理器（BSP）模块组成。下图给出了CAN协议引擎的框图。

位定时逻辑（BTL）模块的主要功能如下。

•为位流处理器（BSP）生成RX采样时钟。

•使CAN控制器与总线上的CAN通信同步。

•在接收期间对总线进行采样并从总线中提取数据流。

•在传输过程中将传输位流插入总线。

位时间时钟周期的标称长度基于CAN_REF_CLK时钟频率，波特率发生器分频器（can.BRPR寄存器）和段长度（can.BTR寄存器）。

位定时逻辑模块使用can.BTR [SJW]位字段中的同步宽度参数来管理CAN的重新同步功能。 CAN位时序如下图所示。

同步段计数始终等于一个时间量子周期。可使用can.BTR [TS1，TS2]位字段对TS 1和TS 2周期计数进行编程。 当控制器处于配置模式时，将写入这些寄存器。 传播段的宽度（PROP_SEG）必须小于实际传播延迟。

时间量子时钟（TQ_CLK）由控制器参考时钟（CAN_REF_CLK）除以波特率预分频器（BRP）得到。

比特流处理器（BSP）模块在发送和接收CAN消息时执行多种功能。BSP从TXFIFO或TXHPB获得要发送的消息，并在将比特流传递给BTL之前执行以下功能。

在传输期间，BSP同时监视RX数据并执行总线仲裁任务。然后，当赢得仲裁时，它将发送完整的帧；当仲裁丢失时，将重试。

•序列化消息。

•在传输过程中插入填充位，CRC位和其他协议定义的字段。

在传输期间，BSP同时监视RX数据并执行总线仲裁任务。当赢得仲裁时，它将发送完整的帧；当仲裁丢失时，将重试。

在接收期间，BSP从接收到的比特流中删除填充位，CRC比特和其他协议字段。BSP状态机还在发送和接收期间分析总线通信量和接收格式以及CRC、ACK、填充和位冲突。然后，状态机执行错误信号和错误限制任务。CAN控制器不会自动生成过载帧，但会响应总线上检测到的过载标志。

该模块确定CAN控制器的错误状态：主动错误，被动错误或总线关闭。当在总线上观察到TX或RX错误时，BSP将根据CAN 2.0A，CAN 2.0B和ISO 11898-1标准中定义的规则更新发送和接收错误计数器。基于这些计数器的值，BSP将更新CAN控制器的错误状态。

RXFIFO，TXFIFO和TXHPB使用相同的消息格式，每个消息包括四个字（16个字节）， 无论消息中的数据字节和有效字段的实际数量如何，软件都必须读写所有四个字。

写入:如果不需要位字段或数据字节，则写入零。

读取:数据从字节0开始，并持续DLC中的计数数。

每个CAN控制器都有一个向通用中断控制器（GIC）发出的中断信号。

CAN 0连接到IRQ ID＃55，CAN 1连接到ID＃56。 中断源可以分为以下之一。

•TXFIFO和TXHPB

•RXFIFO

•消息传递和仲裁

•睡眠模式和总线关闭状态

使用can.IER寄存器启用和禁用中断。使用can.ISR寄存器检查中断的初始状态。通过向can.ICR寄存器写入1来清除中断。

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习“01Vitis Soc开发入门”这篇文章。

ZYNQ IP中设置CAN0

以下步骤简写，有不清楚的看第一篇文章。

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:添加配套工程路径下uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc约束文件

4:生成Bit文件。

5:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

6:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

右击soc_base编译，编译的时间可能会有点长

首先依然是通过查找配置程序来获取CAN控制器的硬件配置。我们跟踪这个程序，看看他获取的配置是什么。

这个结构体中定义了CAN的ID 以及CAN的基地址，可以看到我们这里使用的是PS 的CAN1

进一步跟踪，可以在xparameters.h中查到CAN基地址的具体定义，以及CAN的参考时钟，这里和我们MPSOC IP中设置一样，参考时钟100M

这个函数用于初始化回调函数的函数指针，为中断部分设置回调函数，做好准备。可以看到CAN的部分中断回调函数根据不同的状态信息，调用了不同的函数。

在这个函数的最后，调用了XCanPs_Reset(InstancePtr);函数复位CAN控制器，我们看下这个函数操作的寄存器.

CAN的软件复位寄存器:地址偏移XCANPS_SRR_OFFSET=x00000000

bit0:写1复位CAN控制器

bit1:写0 CAN处于配置模式，写1可以处于环路模式，休眠模式，或者正常模式

这个函数中设置CAN的波特率

3.1:XCanPs_EnterMode(CanInstPtr, XCANPS_MODE_CONFIG)函数

首先根据输入的参数XCANPS_MODE_CONFIG，对寄存器进行设置。

以上代码首先通过XCanPs_GetMode(InstancePtr)函数读取模式状态:

这个函数通过XCanPs_GetStatus(InstancePtr)函数读取CAN状态寄存器的状态：

CAN状态寄存器的偏移地址XCANPS_SR_OFFSET= 0x00000018

之后通过判断当然模式和需要的配置模式参数进行状态的切换，分三种情况：

1需要设置的配置模式为休眠模式&当前的模式为正常模式，则切换到休眠模式

2需要设置的配置模式为正常模式&当前的模式为休眠模式，则切换到正常模式

3以上两种情况都是，则执行else分支代码设置复位寄存器，并且继续执行：

以上代码中对软件复位寄存器，以及模式选择选择寄存器进行设置。这里介绍下模式选择寄存器。

模式选择寄存器的偏移地址XCANPS_MSR_OFFSET= 0x00000004

can_bit_timing结构体定义了CAN控制的：

1) BaudRate-波特率

2) BaudRatePrescaler-波特率预分频系数

3) TimeSegment1-时间段1

4) TimeSegment2-时间段2

5) SyncJumpWidth-同步跳转宽度

如果需要设置这些参数，首先确保CAN处于配置模式。

位时间寄存器的偏移地址XCANPS_BTR_OFFSET=0x0000000C

当配置完成后，将CAN配置为正常模式

这个函数负责把对应中断号从回调函数，以及回调参数，连接到之前在Init_Intr_System(&Intc)函数中定义的回调函数。

当CAN的中断产生后，通过以上设置的函数指针会调用对应的函数，分析的最后部分我再介绍每个中断函数。

在以下代码中，首先绑定中断号，CPU号，我们也可以进一步分中断

在这个函数中具体中断和CPU如何关联，如何设置SPI(共享外设中断)中断寄存器的相关位我们无法进一步分分析，到此为止。

CAN的中断使能寄存器偏移地址：XCANPS_IER_OFFSET= 0x00000020

CAN帧发送成功后回调

接收到正确数据后回调,在接收中断中打印帧信息。

当发生ACK错误、bit错误、帧错误、CRC错误、填充错误，错误回调函数执行

8:void can_EventHandler(void *CallBackRef, u32 IntrMask)

当发生bus_off状态、RX FIFO溢出、RX FIFO 满、TX FIFO满、TX优先缓存满、从睡眠唤醒、总线仲裁丢失，会回调以下函数。

以上函数中首先填写帧信息

然后通过调用函数XCanPs_IsTxFifoFull(InstancePtr)获取发送FIFO的状态。

最后调用XCanPs_Send(InstancePtr, TxFrame)函数发送帧

以上函数中，帧信息需要写入以下寄存器：

2)TX FIFO 数据长度寄存器偏移地址：XCANPS_TXFIFO_DLC_OFFSET=0x00000034

3) TX FIFO的数据字1寄存器偏移地址：XCANPS_TXFIFO_DW1_OFFSET= 0x00000038

4) TX FIFO的数据字2寄存器偏移地址：XCANPS_TXFIFO_DW2_OFFSET= 0x0000003C

根据安装说明安装软件，CAN分析仪软件为“USB_CAN TOOLSetup(V9.05).exe”

打开USB-CAN Tool，选择500kbps的波特率连接CAN分析仪。

通过SDK将程序下载至开发板运行，此时，在USB-CAN Tool软件中便可抓取开发板每隔1s向外发送的CAN数据帧，如下图所示。数据帧，每个数据帧的第1个字节数据不断递增。

还原main.c中的宏定义：#define TEST_RX_ONLY。重新编译工程。将程序下载到开发板中运行。

打开USB-CAN Tool软件的数据发送功能，设置如下图所示。通过软件向开发板发送数据长度为8字节的数据帧。发送的第一个字节的数据不断递增。然后，点击立即发送。

同时，开发板通过串口将每次接收到的数据帧信息在SDK中打印出来，如下图所示。可以看到第一个字节的数据在递增。

将main.c中的宏定义：#define TEST_RX_ONLY注释，重新编译工程。然后将程序下载到开发板中运行。同时，通过软件向开发板连续发送数据长度为8字节的数据帧。如下图所示。