再談STM32的CAN過(guò)濾器
1. 前言
bxCAN是STM32系列最穩(wěn)定的IP核之一，無(wú)論有哪個(gè)新型號(hào)出來(lái)，這個(gè)IP核基本未變，可見(jiàn)這個(gè)IP核的設(shè)計(jì)是相當(dāng)成熟的。本文所講述的內(nèi)容屬于這個(gè)IP核的一部分，掌握了本文所講內(nèi)容，就可以很方便地適用于所有STM32系列中包含bxCAN外設(shè)的型號(hào)。有關(guān)bxCAN的過(guò)濾器部分的內(nèi)容在參考手冊(cè)中往往看得“不甚明白“，本文就過(guò)濾器的4種工作模式進(jìn)行詳細(xì)講解并使用具體的代碼進(jìn)行演示，這些代碼都進(jìn)行過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證通過(guò)的，希望能給讀者對(duì)于bxCAN過(guò)濾器有一個(gè)清晰的理解。
在這里，我們可以將CAN總線看成一個(gè)廣播消息通道，上面?zhèn)鬏斨鞣N類型的消息，好比報(bào)紙，有體育新聞，財(cái)經(jīng)新聞，政治新聞，還有軍事新聞，每個(gè)人都有自己的喜好，不一定對(duì)所有新聞都感興趣，因此，在看報(bào)紙的時(shí)候，一般人都是只看自己感興趣的那類新聞，而過(guò)濾掉其他不感興趣的內(nèi)容。那么我們一般是怎么過(guò)濾掉那些不感興趣的內(nèi)容的呢？下面有兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的：
第一種方法：
每次看報(bào)紙時(shí)，你都看下每篇文章的標(biāo)題，如果感興趣則繼續(xù)看下去，如果不感興趣，則忽略掉。
第二種方法：
你告訴郵遞員，你只對(duì)財(cái)經(jīng)新聞感興趣，請(qǐng)只將財(cái)經(jīng)類報(bào)紙送過(guò)來(lái)，其他的就不要送過(guò)來(lái)了，就這樣，你看到的內(nèi)容必定是你感興趣的財(cái)經(jīng)類新聞。
上面那種方法好呢？很明顯，第二種方法是最好的，因?yàn)槟悴挥米约好看闻袛嗄男┬侣剝?nèi)容是你感興趣的，可以免受“垃圾”新聞干擾，從而可以節(jié)省時(shí)間忙其他事。bxCAN的過(guò)濾器就是采用上述第二種方法，你只需要設(shè)置好你感興趣的那些CAN報(bào)文ID，那么MCU就只能收到這些CAN報(bào)文，是從硬件上過(guò)濾掉，完全不需要軟件參與進(jìn)來(lái)，從而節(jié)省了大大節(jié)省了MCU的時(shí)間，可以更加專注于其他事務(wù)，這個(gè)就是bxCAN過(guò)濾器的意義所在。
2.2.兩種過(guò)濾模式(列表模式與掩碼模式)假設(shè)我們是bxCAN這個(gè)IP的設(shè)計(jì)者，現(xiàn)在由我們來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)濾器，那么我們?cè)撊绾卧O(shè)計(jì)呢？
首先我們是不是很快就會(huì)想到只要準(zhǔn)備好一張表，把我們需要關(guān)注的所有CAN報(bào)文ID寫上去，開(kāi)始過(guò)濾的時(shí)候只要對(duì)比這張表，如果接收到的報(bào)文ID與表上的相符，則通過(guò)，如果表上沒(méi)有，則不通過(guò)，這個(gè)就是簡(jiǎn)單的過(guò)濾方案。恭喜你！bxCAN過(guò)濾器的列表模式采用的就是這種方案。
但是，這種列表方案有點(diǎn)缺陷，即如果我們只關(guān)注一個(gè)報(bào)文ID，則需要往列表中寫入這個(gè)ID，如果需要關(guān)注兩個(gè)，則需要寫入兩個(gè)報(bào)文ID，如果需要關(guān)注100個(gè)，則需要寫入100個(gè)，如果需要1萬(wàn)個(gè)，那么需要寫入1萬(wàn)個(gè)，可問(wèn)題是，有這個(gè)大的列表供我們使用嗎？大家都知道，MCU上的資源是有限的，不可能提供1萬(wàn)個(gè)或更多，甚至100個(gè)都嫌多。非常明顯，這種列表的方式受到列表容量大小的限制，實(shí)際上，bxCAN的一個(gè)過(guò)濾器若工作在列表模式下,scale為32時(shí)，每個(gè)過(guò)濾器的列表只能寫入兩個(gè)報(bào)文ID，若scale為16時(shí)，每個(gè)過(guò)濾器的列表最多可寫入4個(gè)CAN ID，由此可見(jiàn)，MCU的資源是非常非常有限的，并不能任我們隨心所欲。因此，我們需要考慮另外一種替代方案，這種方案應(yīng)該不受到數(shù)量限制。
下面假設(shè)我們是古時(shí)候一座城鎮(zhèn)的守衛(wèi)，城主要求只有1156年出生的人才可以進(jìn)城，我們又該如何執(zhí)行呢？假設(shè)古時(shí)候的人也有類似今天的身份證（...->_<-…）,大家都知道，身份份證號(hào)碼中有4位是表示出生年月，如下圖：
圖 1 18位身份證號(hào)碼的各位定義
如上圖，身份證中第7~10這4位數(shù)表示的是出生年份，那么，我們可以這么執(zhí)行：
檢查想要進(jìn)城的所有人的身份證號(hào)碼的第7~10位數(shù)字，如果這個(gè)數(shù)字依次為1156則可以進(jìn)入，否則則不可以，至于身份證號(hào)碼的其他位則完全不關(guān)心。假如過(guò)幾天城主放寬進(jìn)城條件為只要是1150年~1160前的人都可以進(jìn)城，那么，我們就可以只關(guān)注身份證號(hào)碼的第7~9這3位數(shù)是否為115就可以了，對(duì)不對(duì)？這樣一來(lái)，我們就可以非常完美地執(zhí)行城主的要求了。
再變下，假設(shè)現(xiàn)在使用機(jī)器來(lái)當(dāng)守衛(wèi)，不再是人來(lái)執(zhí)行這個(gè)“篩選”工作。機(jī)器是死的，沒(méi)有人那么靈活，那么機(jī)器又該如何執(zhí)行呢？
對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，每一步都得細(xì)化到機(jī)器可以理解的程度，于是我們可以作如下細(xì)化：
第一步：獲取想進(jìn)城的人的身份證號(hào)碼
第二步：只看獲取到身份證的第7~9位，其他位忽略
第三步：將忽略后的結(jié)果與1156進(jìn)行比較
第四步：比較結(jié)果相同則通過(guò)，不同則不能通過(guò)
這種方式，我們稱之為掩碼模式。
2.3.驗(yàn)證碼與屏蔽碼仔細(xì)查看上面4個(gè)步驟，這不就是C代碼中的if語(yǔ)句嗎？如下：
if(x&y==z)//x表示待檢查身份證號(hào)碼，y表示只關(guān)注第7~9位的屏蔽碼，Z則為1156，這里叫做驗(yàn)證碼
{
//可以通過(guò)
}
else
{
//不可以通過(guò)
}
對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，我們要為它準(zhǔn)備好兩張紙片，一片寫上屏蔽碼，另一片紙片寫上驗(yàn)證碼，屏蔽碼上相應(yīng)位為1時(shí)，表示此位需要與驗(yàn)證碼對(duì)應(yīng)位進(jìn)行比較，反之，則表示不需要。機(jī)器在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候先將獲取的身份證號(hào)碼與屏蔽碼進(jìn)行“與”操作，再將結(jié)果與驗(yàn)證碼的進(jìn)行比較，根據(jù)判斷是否相同來(lái)決定是否通過(guò)。整個(gè)判別流程如下所示：
圖 2 掩碼模式的計(jì)算過(guò)程
從上圖可以很容易地理解屏蔽碼與驗(yàn)證碼的含義，這樣一來(lái)，能通過(guò)的結(jié)果數(shù)量就完全取決于屏蔽碼，設(shè)得寬，則可以通過(guò)的多(所有位為0，則不過(guò)任何過(guò)濾操作，則誰(shuí)都可以通過(guò))，設(shè)得窄，則通過(guò)的少(所有位設(shè)為1，則只有一個(gè)能通過(guò))。那么知道這個(gè)有什么用呢？因?yàn)閎xCAN的過(guò)濾器的掩碼模式就是采用這種方式，在bxCAN中，分別采用了兩個(gè)寄存器(CAN_FiR1,CAN_FiR2)來(lái)存儲(chǔ)屏蔽碼與驗(yàn)證碼，從而實(shí)現(xiàn)掩碼模式的工作流程的。這樣,我們就知道了bxCAN過(guò)濾器的掩碼模式的大概工作原理。
但是，我們得注意到，采用掩碼模式的方式并不能精確的對(duì)每一個(gè)ID進(jìn)行過(guò)濾，打個(gè)比方，還是采用之前的守衛(wèi)的例子，假如城主要求只有1150~1158年出生的人能通過(guò)，那么，若我們還是才用掩碼模式，那么掩碼就設(shè)為第7~9位為”1”，對(duì)應(yīng)的，驗(yàn)證碼的7~9位分別為”115”，這樣就可以了。但是，仔細(xì)一想，出生于1159的人還是可以通過(guò)，是不是？但總體來(lái)說(shuō)，雖然沒(méi)有做到精確過(guò)濾，但我們還是能做到大體過(guò)濾的，而這個(gè)就是掩碼模式的缺點(diǎn)了。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，取決于需求，有時(shí)我們會(huì)同時(shí)使用到列表模式和掩碼模式，這都是可能的。
綜合之前所述，下面我們來(lái)對(duì)比一下列表模式與掩碼模式這兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)。
1986 年德國(guó)電氣商BOSCH公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議，剛開(kāi)始的時(shí)候，CAN ID定義為11位，我們稱之為標(biāo)準(zhǔn)格式，ISO11898-1標(biāo)準(zhǔn)中CAN的基本格式如下圖所示：
圖 3 標(biāo)準(zhǔn)CAN報(bào)文格式定義
如上圖所示，標(biāo)準(zhǔn)CAN ID存放在上圖ID18~ID28中，共11位。隨著工業(yè)發(fā)展，后來(lái)發(fā)現(xiàn)11位的CAN ID已經(jīng)不夠用，于是就增加了18位，擴(kuò)展CAN ID到29位，如下圖所示：
圖 4 擴(kuò)展CAN報(bào)文格式定義
從上圖對(duì)比擴(kuò)展CAN報(bào)文與標(biāo)準(zhǔn)CAN報(bào)文，發(fā)現(xiàn)在仲裁域部分，擴(kuò)展CAN報(bào)文的CAN ID包含了base Identifier與extension Identifier，即基本ID與擴(kuò)展ID，而標(biāo)準(zhǔn)CAN報(bào)文的CAN ID部分只包含基本ID，擴(kuò)展ID(ID0~ID17)被放在基本ID的右方,也就是說(shuō),屬于低位。知道這些有什么用呢？至少我們可以得到這兩條信息：
標(biāo)準(zhǔn)ID一般小于或等于<=0x7FF(11位)，只包含基本ID。
對(duì)于擴(kuò)展CAN的低18位為擴(kuò)展ID，高11位為基本ID。
例如標(biāo)準(zhǔn)CAN ID 0x7E1，二進(jìn)制展開(kāi)為0b 0[111 1110 0001],只有中括號(hào)內(nèi)的11位才有效，其全部是基本ID。
再例如擴(kuò)展CAN ID 0x1835f107,二進(jìn)制展開(kāi)為0b 000[1 1000 0011 10][01 11110001 0000 0111]，只有紅色中括號(hào)和綠色中括號(hào)內(nèi)的位才有效，總共29位，左邊紅色中括號(hào)中的11位為基本ID，右邊綠色中括號(hào)內(nèi)的18位為擴(kuò)展ID，請(qǐng)記住這個(gè)信息！知道這個(gè)之后，我們可以很方便地將一個(gè)CANID拆分成基本ID和擴(kuò)展ID，這個(gè)也將在后續(xù)的內(nèi)容中多次用到，再次留意一下，擴(kuò)展ID是位于基本ID的右方，在擴(kuò)展CAN ID的構(gòu)成中，擴(kuò)展ID位于低18位，而基本ID位于高11位，于是要獲取一個(gè)擴(kuò)展CANID的基本ID，就只需要將這個(gè)CANID右移18位(這種算法后續(xù)將多次用到,請(qǐng)務(wù)必記住!)。
3. bxCAN的過(guò)濾器的解決方案終于進(jìn)入到正題了！前面已經(jīng)介紹了過(guò)濾器的列表模式與掩碼模式，以及掩碼模式下的屏蔽碼與驗(yàn)證碼的含義，還介紹了標(biāo)準(zhǔn)CAN ID與擴(kuò)展CAN ID的組成部分?，F(xiàn)在我們終于要站在bxC
下載文檔
