隨著汽車和航空航天領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)通信對數(shù)據(jù)帶寬和有效載荷容量的需求日益增長。帶有可變數(shù)據(jù)速率的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN FD）協(xié)議通過增強經(jīng)典 CAN 總線的功能，成功應(yīng)對了這一挑戰(zhàn)。AS32S601 作為國科安芯推出的一款高性能 32 位 RISC-V 微控制器。盡管 CAN FD 將單幀的最大載荷擴(kuò)展至 64 字節(jié)^^^^^^^^，但許多應(yīng)用場景，如無線固件升級（OTA）、高分辨率傳感器數(shù)據(jù)流傳輸以及高級診斷等，仍需傳輸遠(yuǎn)超此限制的數(shù)據(jù)塊。

本文旨在為在 AS32S601 微控制器上實現(xiàn)穩(wěn)健的多幀數(shù)據(jù)傳輸解決方案提供一份全面的技術(shù)指南，討論內(nèi)容覆蓋了 CAN FD 的核心概念、AS32S601 外設(shè)的架構(gòu)、包括接收狀態(tài)機(jī)在內(nèi)的詳細(xì)軟件實現(xiàn)策略，以及確保實時性能和系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)級注意事項。

一、核心機(jī)制設(shè)計

CAN幀主要包含兩個主要部分：仲裁階段和數(shù)據(jù)階段。在傳統(tǒng)CAN中，全幀以一個固定的比特率發(fā)送。在CAN FD中，如果啟用了BRS位，數(shù)據(jù)階段則以更高的比特率發(fā)送。這種較高的比特率通常是標(biāo)稱比特率的2至8倍。CAN幀中不包含任何表明比特率具體值的內(nèi)容。

就像在傳統(tǒng)CAN中一樣，比特率作為系統(tǒng)設(shè)計的一部分是固定值，總線上的所有設(shè)備在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前都必須知道該值。只是對于CAN FD，如果BRS處于激活狀態(tài)，那您必須知道標(biāo)稱比特率和數(shù)據(jù)比特率。

傳統(tǒng)CAN最大8字節(jié)，而CAN FD支持單幀從8字節(jié)擴(kuò)展至64字節(jié)（DLC編碼對應(yīng)12/16/20/24/32/48/64字節(jié)）。

CAN FD協(xié)議本身單幀最大支持64字節(jié)數(shù)據(jù)，若需處理超過64字節(jié)的數(shù)據(jù)，需通過以下方式實現(xiàn)：

該原理設(shè)計通過分段速率控制與協(xié)議層優(yōu)化，在保持CAN總線非破壞性仲裁優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)吞吐量5-15倍提升。實際部署時需注意電磁兼容性設(shè)計，特別是高速率下的信號完整性。

實現(xiàn)方法：將大數(shù)據(jù)包按CAN FD支持的DLC分段，發(fā)送端拆分?jǐn)?shù)據(jù)，接收端重組。

二、多幀傳輸協(xié)議

在實際應(yīng)用中，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過單幀CAN FD的最大容量時，就需要采用多幀處理機(jī)制。這一機(jī)制通常包括首幀（First Frame, FF）、連續(xù)幀（Consecutive Frame, CF）和流控幀（Flow Control, FC）。首幀負(fù)責(zé)攜帶數(shù)據(jù)總長度和首段數(shù)據(jù)，通知接收方開始接收；連續(xù)幀則按照順序傳輸剩余數(shù)據(jù)。流控幀由接收方發(fā)送，用于控制發(fā)送節(jié)奏，包含連續(xù)接收最大幀數(shù)（Block Size, BS）和幀間最小間隔時間（STmin）等參數(shù)。

[首幀F(xiàn)F] → [流控FC] → [連續(xù)幀CF] → ... → [CRC校驗]

接收方通過流控幀（FC）指定：

• 單幀(Single Frame)：≤64字節(jié)直接傳輸
• 超時重傳（默認(rèn)300ms）
• CRC校驗失敗觸發(fā)自動重傳

該代碼實現(xiàn)包含以下核心功能：

• 支持ISO-TP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的多幀拆分與重組
• 采用狀態(tài)機(jī)管理接收流程，處理首幀(FF)和連續(xù)幀(CF)
• 實現(xiàn)序列號校驗和自動重傳機(jī)制
• 兼容單幀傳輸(≤64字節(jié))和多幀傳輸(>64字節(jié))場景

#include < string.h >

#define CANFD_MAX_DLC 64

#define ISO_TP_PCI_TYPE_FF 0x10  // 首幀標(biāo)識

#define ISO_TP_PCI_TYPE_CF 0x20  // 連續(xù)幀標(biāo)識

 

typedef **struct** {  

    uint8_t data[CANFD_MAX_DLC];

} CANFD_Frame;

 

// 發(fā)送多幀數(shù)據(jù)

**void** send_multiframe(CANFD_TypeDef* CANFDx, uint8_t *data, uint16_t len) {

    CANFD_Frame frame;

uint8_t chunk_size=0;

uint8_t seq=0;

uint16_t total_len = len；

    // 首幀發(fā)送

 **if** (len > CANFD_MAX_DLC - 2) 

{

        frame.data[0] = ISO_TP_PCI_TYPE_FF

        frame.data[1] = len & 0xFF;

        memcpy(&frame.data[2], data, CANFD_MAX_DLC - 2);

        CANFD_Transmit(CANFDx, TB1, frame.data, CANFD_MAX_DLC);

        // 連續(xù)幀發(fā)送

        for(int i=0; i< total_len; i+=64) 

{

           uint8_t chunk_size = (total_len-i) > 64 ? 64 : (total_len-i);

           frame.data[0] = ISO_TP_PCI_TYPE_CF| Seq;

          memcpy(&frame.data[1], data[chunk_size-1], chunk_size);

         CANFD_Transmit(CANFDx, TB1, frame.data, chunk_size);

         Seq+=1;

        }

    } 

    // 單幀發(fā)送

    **else** {

        memcpy(frame.data, data, len);

        CANFD_Transmit(CANFDx, TB1, frame.data, len);

    }

}

 

// 接收狀態(tài)機(jī)

typedef **enum** {

    IDLE,

    RECEIVING_FF,

    RECEIVING_CF

} RxState;

 

typedef **struct** {

    uint8_t buffer[4096];

    uint16_t total_len;

    uint16_t received;

    uint8_t expected_seq;

    RxState state;

} CANFD_RxHandler;

 

**void** process_canfd_frame(CANFD_TypeDef* CANFDx, CANFD_Frame *frame) {

    uint8_t data_len =0;

data_len = CANFD_GetReceiveData(CANFD3, frame.data);

    uint8_t pci_type = frame- >data[0] & 0xF0;

     

     **switch** (handler- >state) {

        **case** IDLE:

             **if** (pci_type == ISO_TP_PCI_TYPE_FF) {

                handler- >total_len = ((frame- >data[0] & 0x0F) < < 8) | frame- >data[1];

                memcpy(handler- >buffer, &frame- >data[2], CANFD_MAX_DLC- 2);

                handler- >received = CANFD_MAX_DLC- 2;

                handler- >expected_seq = 1;

                handler- >state = RECEIVING_CF;

            }

             **break** ;

             

        **case** RECEIVING_CF:

             **if** (pci_type == ISO_TP_PCI_TYPE_CF && 

               ((frame- >data[0] & 0x0F) == handler- >expected_seq)) {

                memcpy(handler- >buffer + handler- >received, 

                       &frame- >data[1], data_len);

                handler- >received += data_len;

                handler- >expected_seq = (handler- >expected_seq + 1) % 16;

                 

                 **if** (handler- >received >= handler- >total_len) {

                    // 完整數(shù)據(jù)接收完成

                    handler- >state = IDLE;

                }

            }

             **break** ;

    }

}

三、定時器模擬多線程任務(wù)處理：

中斷標(biāo)志管理：

can_interrupt_flag 為CAN硬件中斷標(biāo)志，由CAN接收中斷服務(wù)觸發(fā)。

定時器1功能：

每100ms輪詢can_interrupt_flag

檢測到標(biāo)志位后設(shè)置processing_interrupt阻止其他任務(wù)

模擬中斷處理過程（此處用usleep模擬處理時間）

定時器2功能：

每1秒嘗試執(zhí)行任務(wù)

通過檢查processing_interrupt決定是否執(zhí)行任務(wù)

[CAN_ISR] 中斷觸發(fā)，設(shè)置標(biāo)志位

[Timer1] 檢測到中斷，暫停其他任務(wù)

[Timer2] 任務(wù)暫停...

[Timer2] 任務(wù)暫停...

[Timer1] 中斷處理完成，恢復(fù)任務(wù)

[Timer2] 執(zhí)行常規(guī)任務(wù)

#include < stdio.h >

#include < stdlib.h >

  

// 全局標(biāo)志位

volatile **int** can_interrupt_flag = 0;

volatile **int** processing_interrupt = 0;

  

// 模擬CAN中斷服務(wù)程序（實際應(yīng)由硬件觸發(fā)）

**void** CANFD3_IRQ_Handler()    

{

can_interrupt_flag = 1;

    printf("[CAN_ISR] 中斷觸發(fā)，設(shè)置標(biāo)志位n");

}

// 定時器1線程：檢測CAN中斷標(biāo)志（每500ms檢查）

**void** timer1_thread( **void** )

 {

         **if** (can_interrupt_flag) {

            processing_interrupt = 1;

            printf("[Timer1] 檢測到中斷，暫停其他任務(wù)n");

              

            can_buffer_count();

            can_interrupt_flag = 0; // 清除中斷標(biāo)志

            processing_interrupt = 0; // 允許恢復(fù)任務(wù)

            printf("[Timer1] 中斷處理完成，恢復(fù)任務(wù)n");

        }

    **return** NULL;

}

  

// 定時器2線程：執(zhí)行其他任務(wù)（每1秒執(zhí)行）

**void** timer2_thread( **void** ) {

        usleep(1000000); // 1000ms間隔

         **if** (!processing_interrupt) {

            printf("[Timer2] 執(zhí)行常規(guī)任務(wù)n");

        } **else** {

            printf("[Timer2] 任務(wù)暫停...n");

    }

    **return** NULL;

}

  

**int** main {

// 創(chuàng)建兩個定時器任務(wù)

    TIM1_Config(99,0,0);

   TIM2_Config(99,0,0);

 **while** (1)

  {

      timer1_thread（）；

      timer2_thread（）；

}

四、關(guān)鍵特性說明：

• 線程安全設(shè)計：通過volatile關(guān)鍵字確保中斷與主程序間的數(shù)據(jù)可見性。
• 動態(tài)長度校驗：在讀取時驗證數(shù)據(jù)長度是否符合預(yù)期。
• 高效內(nèi)存管理：環(huán)形緩沖區(qū)避免內(nèi)存碎片，適合嵌入式環(huán)境。
• 狀態(tài)檢測機(jī)制：通過is_full標(biāo)志避免緩沖區(qū)溢出。
• 擴(kuò)展性設(shè)計：可通過修改CAN_BUF_SIZE適應(yīng)不同數(shù)據(jù)量需求。

實際應(yīng)用時需配合CAN中斷服務(wù)程序（ISR）調(diào)用can_buffer_put()，在主循環(huán)中處理完整數(shù)據(jù)幀。對于高可靠性場景，建議增加錯誤幀處理和BUS OFF狀態(tài)恢復(fù)機(jī)制。

五、物理層要求：

• 使用ASM1042等CANFD收發(fā)器芯片
• 分支長度<1米，終端電阻120Ω
• 采樣點設(shè)置在75%-82%范圍

六、典型應(yīng)用場景

1. 車載網(wǎng)絡(luò)升級

在車載網(wǎng)絡(luò)中，CAN FD主要用于域控制器間的大數(shù)據(jù)傳輸，如ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）傳感器數(shù)據(jù)的高效傳輸。通過CAN FD網(wǎng)橋，它能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的兼容，使得車輛在升級過程中無需全面替換現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，在實際部署時，需要特別注意電磁兼容性設(shè)計，尤其是高速率下的信號完整性，以避免數(shù)據(jù)傳輸錯誤和系統(tǒng)故障。

2. 航天領(lǐng)域適配

CAN FD協(xié)議滿足了衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枨螅?Mbps+64字節(jié)幀）。其高可靠性和低延遲特性，使得衛(wèi)星能夠及時、準(zhǔn)確地將遙測數(shù)據(jù)傳輸回地面站。在這一領(lǐng)域，CAN FD通常與高性能的CAN FD收發(fā)器芯片配合使用，如ASM1042等，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時，為了適應(yīng)航天環(huán)境的特殊要求，還需要對CAN FD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測試和驗證。

審核編輯 黃宇