第三十六章 TWAI实验
本章，我们将介绍如何使用ESP32-P4自带的TWAI控制器来实现TWAI的收发功能，并将结果显示在LCD屏幕上。
本章分为如下几个小节：
36.1 TWAI总线协议介绍
36.2 硬件设计
36.3 程序设计
36.4 下载验证
36.1 TWAI总线协议介绍
有人说乐鑫的芯片没有CAN总线控制器，只不过它被叫做双线汽车接口，缩写为TWAI，详称为“two_wire automotive interface”。由于ESP32的CAN控制器在功能上相比STM32稍微逊色一点，同时资料也少一点，所以不被大家所熟知。
36.1.1 TWAI简介
双线汽车接口(TWAI)是一种适用于汽车和工业应用的实时串行通信协议，兼容ISO11898-1经典帧（CAN2.0），因此可以支持标准帧格式（11位ID）和扩展帧格式（29位ID）。但是不兼容ISO11898-1 FD格式帧，并会将这些帧解析为错误。
ESP32-P4包含3个TWAI控制器，分别是TWAI0、TWAI1和TWAI2。 ESP32-P4的TWAI控制器具有以下特性：
① 兼容ISO 11898-1协议（CAN规范2.0）
② 支持标准帧格式（11位ID）和扩展帧格式（29位ID）
③ 比特率从1Kbit/s到1Mbit/s
④ 多种操作模式：工作模式、只听模式和自检模式（传输无需确认）
⑤ 64字节接收FIFO
⑥ 特殊传输：单次传输（错误时不会自动重传）、自发自收（同时发送和接收消息）
⑦ 数据接收过滤器（支持单过滤器和双过滤器模式）
⑧ 错误检测与处理：错误计数、可配置的错误中断阈值、错误代码记录和仲裁丢失记录
双线汽车接口通过GPIO交换矩阵可配置使用任意GPIO管脚，非常灵活。
TWAI通信拓扑图如下图所示：
图36.1.1 TWAI通信拓扑结构图
从上图可知，TWAI总线呈现的是一个闭环结构，总线是由两根线TWAI_High和TWAI_Low组成，且在总线两端各串联了120Ω的电阻（用于阻抗匹配，减少回波反射），同时总线上可以挂载多个节点。每个节点都有TWAI收发器以及TWAI控制器，TWAI控制器通常是MCU的外设，集成在芯片内部，而TWAI收发器则是需要外加芯片转换电路。
TWAI类似RS485也是通过差分信号传输数据。根据TWAI总线上两根线的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。这是属于物理层特征，ISO11898物理层特性如图36.1.1.2所示：
图36.1.1.2 ISO11898物理层特性
从该特性可以看出，显性电平对应逻辑0，CAN_H和CAN_L之差为2 V左右。而隐性电平对应逻辑1，CAN_H和CAN_L之差为0V。在总线上显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。
36.1.2 TWAI总线协议特点
TWAI是一种多主机、多播、异步、串行通信协议，该协议还支持错误检测和通报，并具有内置报文优先级。
多主机：总线上的任何节点都可以发起报文传输。
多播：节点传输报文时，总线上的所有节点都会接收该报文（即广播），确保所有节点数据一致。但通过接收过滤，某些节点可以选择性地接收报文（多播）。
异步：总线不包含时钟信号。总线上的所有节点以相同的位速率运行，并使用在总线上传输位的边沿进行同步。
错误检测和通报：每个节点不断监听总线。节点检测到错误时，通过传输错误帧通报检测到的错误。其他节点会接收错误帧，并传输自己的错误帧作为回应，这样一来检测的错误即可传播到总线上的所有节点。
故障限制：若一组错误计数依据规定增加/减少时，各节点将维护该组错误计数。当错误计数超过一定阈值时，对应节点将自动关闭以退出网络。
报文优先级：每个报文包含唯一的ID字段。如果两个或多个节点尝试同时传输，ID小的节点将获得总线的控制权，而其他节点将自动转为接收器，确保无论何时最多只有一个发 射 器。
发送器与接收器：无论何时，任何TWAI节点都可作为发送器和接收器。产生报文的节点为发送器。所有非发送器的节点都将作为接收器。
36.1.3 TWAI总线协议
TWAI节点使用报文发送数据，并在检测到总线上存在错误时向其他节点发送错误信号。报文分为不同的帧类型，某些帧类型将具有不同的帧格式。
TWAI总线协议是通过以下5种类型的帧进行的：
l 数据帧
l 遥控帧
l 错误帧
l 过载帧
l 间隔帧
另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有11个位的标识符（ID），扩展格式有29个位的ID。各种帧的用途如表36.1.3.1所示：
表36.1.3.1 TWAI协议各种帧及其用途
由于篇幅所限，我们这里仅对数据帧进行详细介绍，数据帧一般由7个段构成，即：
帧起始。表示数据帧开始的段。
仲裁段。表示该帧优先级的段。
控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
数据段。数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。
CRC段。检查帧的传输错误的段。
ACK段。表示确认正常接收的段。
帧结束。表示数据帧结束的段。
数据帧的构成如图36.1.2.1所示：
图36.1.3.1数据帧的构成
图中D表示显性电平，R表示隐形电平（下同）。
帧起始，这个比较简单，标准帧和扩展帧都是由1个位的显性电平表示帧起始。
仲裁段，表示数据优先级的段，标准帧和扩展帧格式在本段有所区别，如图36.1.3.2所示：
图36.1.3.2 数据帧仲裁段构成
标准格式的ID有11个位。禁止高7位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）。扩展格式的ID有29个位。基本ID从ID28到ID18，扩展ID由ID17到ID0表示。基本ID和标准格式的ID相同。禁止高7位都为隐性（禁止设定：基本ID=1111111XXXX）。
其中RTR位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），IDE位为标识符选择位（0，使用标准标识符；1，使用扩展标识符），SRR位为代替远程请求位，为隐性位，它代替了标准帧中的RTR位。
控制段，由6个位构成，表示数据段的字节数。标准帧和扩展帧的控制段稍有不同，如图36.1.3.3所示：
图36.1.3.3 数据帧控制段构成
上图中，r0和r1为保留位，必须全部以显性电平发送，但是接收端可以接收显性、隐性及任意组合的电平。DLC段为数据长度表示段，高位在前，DLC段有效值为0~8，但是接收方接收到9~15的时候并不认为是错误。
数据段，该段可包含0~8个字节的数据。从最高位（MSB）开始输出，标准帧和扩展帧在这个段的定义都是一样的。如图36.1.3.4所示：
图36.1.3.4 数据帧数据段构成
CRC段，该段用于检查帧传输错误。由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符（用于分隔的位）组成，标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。如图36.1.3.5所示：
图36.1.3.5 数据帧CRC段构成
此段CRC的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计算CRC值并进行比较，不一致时会通报错误。
ACK段，此段用来确认是否正常接收。由ACK槽(ACKSlot)和ACK界定符2个位组成。标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。如图36.1.3.6所示：
图36.1.3.6 数据帧CRC段构成
发送单元的ACK，发送2个位的隐性位，而接收到正确消息的单元在ACK槽（ACKSlot）发送显性位，通知发送单元正常接收结束，这个过程叫发送ACK/返回ACK。发送ACK的是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送ACK）。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC错误的消息。
帧结束，这个段也比较简单，标准帧和扩展帧在这个段格式一样，由7个位的隐性位组成。至此，数据帧的7个段就介绍完了，其他帧的介绍，请大家参考光盘的《CAN入门书.pdf》相关章节。
接下来，我们再来看看TWAI的位时序。由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为3段。
l 同步段（SS）
l 相位缓冲段1（PBS1）
l 相位缓冲段2（PBS2）
这些段又由可称为Time Quanta（以下称为Tq）的最小时间单位构成。
1位分为3个段，每个段又由若干个Tq构成，这称为位时序。
1位由多少个Tq构成、每个段又由多少个Tq构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。各段的作用和Tq数如表36.1.3.2所示：
表36.1.3.2 一个位各段及其作用
1个位的构成如图36.1.3.7所示：
图36.1.2.7 一个位的构成
上图的采样点，是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在PBS1结束处。根据这个位时序，我们就可以计算TWAI通信的波特率了。具体计算方法，我们等下再介绍。
由于时钟偏移和抖动，同一总线上节点的位时序可能会脱离相位段。因此，位边沿可能会偏移到同步段的前后。针对位边沿偏移的问题，TWAI提供了多种同步方式。设位边沿偏移的Tq数量为相位错误“e”该值与SS相关。
主动相位错误(e>0)：位边沿位于同步段之后采样点之前（边沿向后偏移）。
被动相位错误(e<0)：位边沿位于前个位的采样点之后同步段之前（边沿向前偏移）。
为了解决相位错误，可进行两种同步方式是硬同步和再同步。硬同步和再同步遵守以下规则：① 单个位时序中仅可发生一次同步；② 同步仅可发生在隐形位到显性位的边沿上。
硬同步：总线空闲期间，硬同步发生在隐性位到显性位的变化边沿上（如总线空闲后的第一个SOF位）。此时，所有节点都将重启其内部位时序，从而使该变化边沿位于重启位时序的同步段内。
再同步：非总线空闲期间，再同步发生在隐性位到显性位的变化边沿上。如果边沿上有主动相位错误(e>0)，则PBS1长度将增加。如果边沿上有被动相位错误(e<0)，PBS2长度将减小。
PBS1/PBS2具体增加和减小的时间定额取决于相位错误的绝对值，同时也受可配置的同步跳宽(SJW)数值限制。
当相位错误的绝对值小于等于SJW数值时，PBS1/PBS2将增加/减小e个时间定额。该过程与硬同步具有相同效果。
当相位错误的绝对值大于SJW数值时，PBS1/PBS2将增加/减小与SJW相同数值的时间定额。这意味着，在完全解决相位错误之前，可能需要多个同步位。
前面提到的TWAI协议具有仲裁功能，下面我们来看看是如何实现的。
在总线空闲态，最 先开始发送消息的单元获得发送权。当多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。实现过程，如图36.1.3.8所示：
图36.1.3.8 TWAI总线仲裁过程
上图中，单元1和单元2同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的，故无法区分优先级，直到T时刻，单元1输出隐性电平，而单元2输出显性电平，此时单元1仲裁失利，立刻转入接收状态工作，不再与单元2竞争，而单元2则顺利获得总线使用权，继续发送自己的数据。这就实现了仲裁，让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。
简单来说，有以下规律：① ID值最小的帧将总是获得仲裁；② 如果ID和格式相同，由于数据帧的RTR位为显性位，数据帧将优先于远程帧；③ 如果ID的前11位相同，由于扩展帧的SRR位是隐性，因而标准格式帧将总优先于扩展格式帧。
36.1.4 TWAI控制器结构
TWAI控制器的结构框图如下图所示。
图36.1.4.1 ESP32-P4的TWAI结构框图
TWAI控制器主要由寄存器模块(Registers)、位流处理器(Bit Stream Processing)、错误管理逻辑(Error Management Logic)、位时序逻辑(Bit Timing Logic)、接收过滤器(Acceptance Filter)和接收FIFO (Receive FIFO)。
寄存器模块
TWAI控制器包括比较多的寄存器，比如：
① 配置寄存器，用于存储TWAI控制器的各配置项，如位速率、操作模式、接收过滤器等。
② 指令寄存器，CPU通过该寄存器驱动TWAI控制器执行任务，如发送报文或清除接收缓冲器。
③ 中断&状态寄存器，用于显示TWAI控制器中发生的事件。
④ 错误管理寄存器，包含错误计数和捕捉寄存器。错误计数寄存器存放的是发送错误或接收错误的累积次数，而捕捉寄存器负责记录相关信息，比如何处检测出总线错误，丢失仲裁等。
⑤ 发送缓冲寄存器，大小为13字节，用于存储TWAI的待发送报文。
⑥ 接收缓冲寄存器，大小为13字节，用于存储单个报文。接收缓冲器是进入接收FIFO的窗口，接收FIFO中的第一个报文将被映射到接收缓冲器中。
位流处理器
位流处理器BSP模块负责对发送缓冲器的数据进行帧处理（如位填充和附加CRC域）并为位时序逻辑模块BTL生成位流。同时，BSP模块还负责处理从BTL模块中接收的位流（如去填充和验证CRC）,并将处理报文置于接收FIFO。BSP还负责检测TWAI总线上的错误并将此类错误报告给错误管理逻辑EML。
错误管理逻辑
错误管理逻辑EML模块负责更新TEC和REC数值，记录错误信息（如错误类型和错误位置），更新控制器的错误状态，确保BSP模块发送正确的错误标志。此外，该模块还负责记录TWAI控制器丢失仲裁时的bit位置。
位时序逻辑
位时序逻辑BTL模块负责以预先配置的位速率发送和接收报文。BTL模块还负责同步位时序，确保数据传输的稳定性。位速率由多个可编程的段组成，且用户可设置每个段的Tq长度，来调整传播延迟、控制器处理时间等因素。
接收过滤器
接收过滤器是一个可编程的报文过滤单元，允许TWAI控制器根据报文的标识符域接收或拒绝该报文。通过接收滤波器的报文才能被存储到接收FIFO中。用户可配置接收滤波器的模式：单滤波器、双滤波器。
接收FIFO
接收FIFO是大小为64字节的缓冲器（位于TWAI控制器内部），负责存储通过接收滤波器的接收报文。接收FIFO中存储的报文大小可以不同。当接收FIFO为满时（或剩余的空间不足以完全存储下一个接收报文），将触发溢出中断，后续的接收报文将丢失，直到接收FIFO中清除出足够的储存空间。接收FIFO中的第一条报文将映射到13字节的接收缓冲器中，直到该报文被清除（通过释放接收缓冲器指令）。清除后，接收缓冲器将继续映射接收FIFO中的下一条报文，接收FIFO中上一条已清除报文的空间将被释放。
36.1.5 TWAI控制器接收过滤器
ESP32-P4 TWAI控制器内置硬件接收过滤器，可以过滤特定ID的报文。只有通过过滤的报文才能存储到接收FIFO中。接收过滤器的使用可以一定程度减轻TWAI控制器的运行负荷（如克减少使用接收FIFO和发生接收中断的次数），因为TWAI控制器将只需要操作一小部分过滤后的报文。
只有当TWAI控制器处于复位模式时，才可以访问接收过滤器的配置寄存器，因为这些配置寄存器和发送/接收缓冲寄存器的地址空间相同。
接收过滤器的配置寄存器由32bit的Code值（接收码）和32bit的Mask值（接收掩码）组成。Code值将指定一种位排列模式，每条过滤报文中的位都必须匹配该模式，才能使该报文通过过滤。Mask值可屏蔽Code值中的某些位（将屏蔽位设置为“不相关”的位）。为了使报文通过过滤，每条过滤报文ID都必须匹配Code值所设模式或被Mask值屏蔽。过滤过程如下所示。
图36.1.5.1 接收过滤器过滤过程
TWAI控制器的接收过滤器允许32bit的Code值和Mask值定义单个过滤器（单过滤器模式）或两个过滤器（双过滤器模式）。接收过滤器如何解析32bit的Code值和Mask值，取决于过滤模式以及接收报文的格式。
单过滤模式使用接收码和接收掩码定义了一个过滤器，支持过滤标准帧的前两个数据字节，或扩展帧的29位ID的全部内容，如下图所示。
图36.1.5.2 单过滤模式
在单过滤器模式下解析32位接收代码和掩码的方式。黄色代表的是标准帧格式，而蓝色代表的是扩展帧格式。
双过滤器模式使用接收代码和掩码定义两个单独过滤器，支持接收更多ID，但不支持过滤扩展ID的全部29位，如下图所示。
图36.1.5.3 双过滤模式
在双过滤器模式下解析32位接收代码和掩码的方式。黄色代表的是标准帧格式，而蓝色代表的是扩展帧格式。
36.1.6 TWAI控制器模式
ESP32-P4 TWAI控制器有两种工作模式：复位模式和操作模式。
复位模式
要修改TWAI控制器的各种配置寄存器，需进入复位模式。进入复位模式时，TWAI控制器彻底与TWAI总线断开连接。复位模式下，TWAI控制器将无法发送任何报文（包括错误信号）。任何正在进行的报文传输将立即被终止。同样的，TWAI控制器在该模式下也将无法接收任何报文。
操作模式
进入操作模式后，TWAI控制器与总线相连，并且写保护各配置寄存器，以确保控制器的配置在运行期间保持一致。操作模式下，TWAI控制器可以发送和接收报文（包括错误信号），但具体取决于TWAI控制器配置于哪种运行子模式。TWAI控制器支持以下三种子模式：
正常模式：TWAI控制器可以发送和接收包含错误信号在内的报文（如错误帧和过载帧）。发送报文时需要来自另一个节点的应答。
自测模式（无应答模式）：与正常模式类似，但在该模式下，TWAI控制器发送报文时，即使在CRC域之后没有接收到应答信号，也不会产生应答错误。通过在TWAI控制器自测时使用该模式。
只听模式：TWAI控制器可以接收报文，但在TWAI总线上保持完全被动。因此，TWAI控制器将无法发送任何报文、应答或错误信号。错误计数将保持冻结状态。该模式用于TWAI总线监控。
注意：退出复位模式后（如进入操作模式时），TWAI控制器需要等待11个连续隐性位出现，才能完全连接上TWAI总线，发送或接收报文。
36.1.7 TWAI波特率
TWAI总线上的各个节点只要约定好1个Tq的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确认TWAI通信的波特率。
假如1Tq = 0.1us，而每个数据位由20个Tq组成，则传输一位数据需要时间T1bit = 2us，从而得到每秒钟可以传输的数据位个数：
1 x 10 6/ 2= 500k （bps）
这个每秒可传输的数据位个数即为通信的波特率。
在ESP32-P4的TWAI控制器中，Tq时钟是由XTAL时钟分配得到的，XTAL时钟为40MHz。可通过以下公式计算。
其中，t Tq 为时间定额的时钟周期，tCLK为XTAL时钟周期，而BRP为预分频值。
然后，得到一个数据位的时间即（PBS1+PBS2+SS）* t Tq ，最终可推导出如下公式：
Baud = 1 / ((PBS1 + PBS2 + SS) * 2 * tCLK * (BRP + 1))
36.2 硬件设计
36.2.1 例程功能
通过KEY1按键选择正常模式；通过KEY2按键选择不应答模式。通过KEY0控制数据发送，接着查询是否有数据接收到。假如接收到数据，就将接收到的数据显示在LCD屏上。如果 是无应答模式，我们不需要2个开发板。如果是正常模式，我们就需要两个ESP32-P4开发板，并将他们的TWAI接口连接起来，然后用一个开发板发送数据，另外一个开发板将接收到的数据显示在LCD屏上。LED0用来指示程序正在运行。
36.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED 0 - IO51
2）RGBLCD / MIPILCD（引脚太多，不罗列出来）
3）TWAI电路
CAN_TX - IO27(U1RXD)（跳线帽连接）
CAN_RX - IO26(U1TXD)（跳线帽连接）
36.2.3 原理图
CAN电路相关原理图，如下图所示。
图36.2.3.1 CAN电路原理图
从上图可以看出：开发板的TWAI电路通过P5的设置，连接到TJA1050/SIT1050T收发芯片，然后通过接线端子（CAN）同外部的CAN总线连接。图中可以看出，在ESP32-P4开发板上是带有120Ω的终端电阻的，如果我们的开发板不是作为CAN的终端的话，需要把这个电阻去掉，以免影响通信。另外，需要注意：TWAI、485公用IO26和IO27，他们不能同时使用。
这里还需要注意，我们要设置好开发板上的P5排针的连接，通过跳线帽将IO26和IO27分别连接到CAN_RX和CAN_TX上面，如图36.2.3.2所示。
图36.2.3.2 TWAI实验需要跳线连接的位置
最后，我们用2根导线将两个开发板CAN端子的CAN_L和CAN_L，CAN_H和CAN_H连接起来。这里注意不要接反了（CAN_L接CAN_H），接反了会导致通信异常！！！
36.3 程序设计
36.3.1 TWAI的IDF驱动
使用TWAI相关功能函数，必须先导入以下头文件：
#include "driver/twai.h"
接下来，作者将介绍一些常用的函数，这些函数的描述及其作用如下：
1，创建TWAI函数twai_driver_install
该函数用于创建TWAI，其函数原型如下：
esp_err_t twai_driver_install(const twai_general_config_t *g_config, const twai_timing_config_t *t_config, const twai_filter_config_t *f_config);
函数形参：
表36.3.1.1 twai_driver_install函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示创建成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示错误参数。
ESP_ERR_NO_MEM表示内存不足。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示驱动已经被安装。
g_config为指向TWAI通用配置结构体指针。接下来，介绍twai_general_config_t结构体中各个成员，如下代码所示：
typedef struct {
int controller_id; /* TWAI控制器ID */
twai_mode_t mode; /* TWAI控制器模式 */
gpio_num_t tx_io; /* 发送引脚 */
gpio_num_t rx_io; /* 接收引脚 */
gpio_num_t clkout_io; /* 时钟输出引脚 */
gpio_num_t bus_off_io; /* 离线通知引脚 */
uint32_t tx_queue_len; /* TX队列可容纳的消息数 */
uint32_t rx_queue_len; /* RX队列可容纳的消息数 */
uint32_t alerts_enabled; /* 要启动的警报位字段 */
uint32_t clkout_divider; /* CLKOUT分频器 */
int intr_flags; /* 中断优先级 */
struct {
uint32_t sleep_allow_pd; /* 允许断电 */
} general_flags; /* 通用标志 */
} twai_general_config_t;
twai_general_config_t结构体用于设置TWAI控制器的基本参数，以下对各成员做简单介绍。
1）controller_id：
设置TWAI控制器的ID。ESP32-P4有三个TWAI，当选择0时，才使用这个函数。非零时，需要选择twai_driver_install_v2函数进行创建TWAI。
2）mode：
设置TWAI操作模式。三个选项分别是TWAI_MODE_NORMAL、TWAI_MODE_NO_ACK和TWAI_MODE_LISTEN_ONLY，对应着36.1.5小节描述的三个操作模式。
3）tx_io
TWAI发送引脚，用于与外部收发器通信。
4）rx_io
TWAI接收引脚，用于与外部收发器通信。
5）clkout_io
CLKOUT信号线属于TWAI控制器的信号线，是可选的，会输出控制器源时钟的分配时钟。
6）buf_off_io
BUS-OFF信号线属于TWAI控制器的信号线，是可选的，在TWAI控制器进入离线状态时为低逻辑电平(0V)。否则为高逻辑电平(3.3V)。
7）tx_queue_len
用于设置TX队列可容纳的消息数。若设置为0即禁用TX队列。
8）rx_queue_len
用于设置RX队列可容纳的消息数。
9）alerts_enabled
用于启用的警报位字段，也就是对哪些标志进行使能。
10）clkout_divider
用于设置CLKOUT分频器。可以是1或2到14之间的任何偶数。如果不使用可设置为0。
11）intr_flags
用于设置中断优先级。
12）sleep_allow_pd
用于设置允许断电。当设置此标志时，驱动程序将在进入低功耗模式前，对TWAI寄存器的内容进行备份。驱动程序退出低功耗模式后，对TWAI寄存器内容进行恢复。
TWAI的IDF驱动提供了通用配置初始化宏，代码如下：
TWAI_GENERAL_CONFIG_DEFAULT_V2(controller_num, tx_io_num, rx_io_num, op_mode) TWAI_GENERAL_CONFIG_DEFAULT(tx_io_num, rx_io_num, op_mode)
第一个宏函数是配置TWAI1或TWAI2，而第二个宏函数是配置TWAI0的。使用宏函数就可以不对其结构体成员赋值，比较方便。但为了方便大家了解其成员，例程中还是采用了对各个成员赋值的方式。
t_config为指向TWAI时序配置结构体指针。介绍twai_timing_config_t结构体中各个成员，如下代码所示：
typedef struct {
twai_clock_source_t clk_src; /* TWAI控制器时钟源 */
uint32_t quanta_resolution_hz; /* 时间定额的分辨率 */
uint32_t brp; /* 波特率分频器 */
uint8_t tseg_1; /* 时序段1 */
uint8_t tseg_2; /* 时序段2 */
uint8_t sjw; /* 同步跳变宽度 */
bool triple_sampling; /* 三重采样 */
} twai_timing_config_t;
twai_timing_config_t结构体用于设置位速率，以下对各成员做简单介绍。
1）clk_src：
用来设置时钟源。设置为0或使用TWAI_CLK_SRC_DEFAULT，使用默认时钟源。
2）quanta_resolution_hz：
用来设置时间定额Tq的分辨率，单位为Hz。这里会跟brp的值由该字段反映。
3）brp：
用来设置TWAI控制器的源时钟分频，确定每个时间定额Tq的周期。在ESP32-P4上，brp可以是从2到32768的任何偶数。也可将quanta_resulotion_hz设置为非零值，决定时间定额的分辨率，由驱动程序计算出底层brp值。该方法适用于需要设置不同的时钟源，但希望位速率保持不变的情况。
4）tseg_1：
用来设置SEG1即时序段1的时间定额数量。
5）tseg_2：
用来设置SEG2即时序段2的时间定额数量。
6）sjw：
用来设置单位时间可以为了同步而延长或缩短的最大事件定额数。
7）triple_sampling
用来设置三重采样，有利于过滤低/中速总线的尖峰信号。启用三重采样会导致每个位采样3个时间定额，而不是1个，额外的采样点位置位于时序段1尾部。
注意：brp、tseg1、tseg2和sjw的不同组合可以实现相同位速率。用户应该考虑传播延迟、节点信息处理时间和相位误差等因素，根据总线的物理特性进行调整。
常见的位速率时序可以使用初始化宏。TWAI的IDF驱动提供了以下的初始化宏。
TWAI_TIMING_CONFIG_25KBITS() /* 波特率25K */ TWAI_TIMING_CONFIG_50KBITS() /* 波特率50K */ TWAI_TIMING_CONFIG_100KBITS() /* 波特率100K */ TWAI_TIMING_CONFIG_125KBITS() /* 波特率125K */ TWAI_TIMING_CONFIG_250KBITS() /* 波特率250K */ TWAI_TIMING_CONFIG_500KBITS() /* 波特率500K */ TWAI_TIMING_CONFIG_800KBITS() /* 波特率800K */ TWAI_TIMING_CONFIG_1MBITS() /* 波特率1M */
f_config为指向TWAI过滤器的配置结构体指针。介绍twai_filter_config_t结构体中各个成员，如下代码所示：
typedef struct {
uint32_t acceptance_code; /* 接收码 */
uint32_t acceptance_mask; /* 接收掩码 */
bool single_filter; /* 单过滤器模式 */
} twai_filter_config_t;
twai_filter_config_t结构体用于设置接收过滤器，以下对各成员做简单介绍。
1）acceptance_code：
用来设置接收码。接收码指定报文的ID、RTR和数据字节必须匹配的位序列，使报文可以由TWAI控制器接收。
2）acceptance_mask：
用来设置接收掩码。接收掩码是一个位序列，指定接收码中可以忽略的位，从而实现用单个接收码接收不同ID的报文。
3）single_filter：
用来设置使用单过滤器模式还是双过滤器模式。单过滤器模式使用接收代码和掩码定义一个过滤器，支持筛选标准帧的前两个数据字节，或扩展帧的29位ID的全部内容。双过滤器模式使用接收代码和掩码定义两个单独的过滤器，支持接收更多ID，但不支持筛选扩展ID的全部29位。
TWAI的IDF驱动提供了过滤器的初始化宏，可用TWAI_FILTER_CONFIG_ACCEPT_ALL去替代对其成员赋值，去接收所有ID。
2，启动TWAI函数twai_start
该函数用于启动TWAI，允许参与TWAI总线活动，比如发送/接收消息，其函数原型如下：
esp_err_t twai_start(void);
无函数形参
函数返回值：
ESP_OK表示TWAI驱动在运行。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示驱动不在停止状态或没有被驱动安装。
与twai_start函数对应的便是twai_stop，用于停止TWAI。
3，发送报文函数twai_transmit
该函数用于向TWAI总线上发送报文信息，其函数原型如下：
esp_err_t twai_transmit(const twai_message_t *message, TickType_t ticks_to_wait);
函数形参：
表36.3.1.2 twai_transmit函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示发送成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示错误参数。
ESP_ERR_TIMEOUT表示等待TX队列空间超时。
ESP_FAIL表示TX队列被禁用，或当前正在发送另外一条报文。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示TWAI驱动不在运行状态，或没有安装。
ESP_ERR_NOT_SUPPORT表示只听模式不支持传输。
message为指向报文配置结构体指针。介绍twai_message_t结构体中各成员，如下代码所示：
typedef struct {
union {
struct {
uint32_t extd: 1; /* 标准帧 / 扩展帧格式(29位ID) */
uint32_t rtr: 1; /* 数据帧或远程帧 */
uint32_t ss: 1; /* 报文是否单次发送 */
uint32_t self: 1; /* 报文是否为自收发 */
uint32_t dlc_non_comp: 1; /* 数据长度代码,不能大于8 */
uint32_t reserved: 27; /* 保留 */
};
uint32_t flags; /* 标志 */
};
uint32_t identifier; /* 报文ID */
uint8_t data_length_code; /* 报文携带数据的长度 */
uint8_t data[TWAI_FRAME_MAX_DLC]; /* 报文携带的数据 */
} twai_message_t;
twai_message_t结构体用于设置接收过滤器，以下对各成员做简单介绍。
1）extd：
用来设置报文是标准帧还是扩展帧格式。若要标准帧，这里要设置为0，若要扩展帧，这里要设置为1。
2）rtr：
用来设置报文是数据帧还是远程帧。若是数据帧，这里要设置为0，若是远程帧，这里要设置为1。
3）ss：
用来设置报文是否单次发送。若是单次发送，这里要设置为1，若是要错误重发，这里要设置为0。
4）self：
用来设置报文是否自收发。若要接收自发的报文，这里设置为1即可。
5）dlc_non_comp：
用来设置报文的数据长度代码，ISO11898标准下不能超过8。
6）identifier：
用来设置报文的ID。若extd为0即标准帧，这里便是11位ID。若extd为1即扩展帧，这里便是29位ID。
7）data_length_code：
用来设置报文携带数据的长度。
8）data[TWAI_FRAME_MAX_DLC]：
用来存放报文携带的数据。
注意：这个函数将待发送的报文在TX队列上排队等待传输。如果没有其他报文排队，报文可立马传输。如果TX队列满了，该函数将会阻塞，直到有空间可用或超时。该函数在只听模式下不可用。
4，接收报文函数twai_receive
该函数用于从RX队列中接收报文，其函数原型如下：
esp_err_t twai_receive(twai_message_t *message, TickType_t ticks_to_wait);
函数形参：
表36.3.1.3 twai_receive函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示接收成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示错误参数。
ESP_ERR_TIMEOUT表示等待超时。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示TWAI驱动没有安装。
36.3.2 程序流程图
图36.3.2.1 TWAI实验程序流程图
36.3.3 程序解析
在27_twai例程中，作者在27_twai \components\BSP路径下新增了1个文件夹TWAI，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。
1. TWAI驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。TWAI驱动源码包括两个文件：esp_twai.c和esp_twai.h。
下面先解析esp_twai.h的程序。对TWAI相关引脚以及报文的ID做了相关宏定义。
#define TWAI_TX_GPIO_PIN GPIO_NUM_27 #define TWAI_RX_GPIO_PIN GPIO_NUM_26 #define MSG_ID 0x12
TWAI的发送引脚用到的是IO26，接收引脚用到的是IO27。
下面我们再解析twai.c的程序，首先先来看一下初始化函数twai_init，代码如下：
/**
* @brief TWAI初始化
* @param mode: TWAI控制器操作模式
* @note TWAI_MODE_NORMAL:正常模式
* @note TWAI_MODE_NO_ACK:无应答模式
* @retval ESP_OK:表示初始化成功
*/
esp_err_t twai_init(twai_mode_t mode)
{
if (tawi_state == 0xFF)
{
ESP_ERROR_CHECK(twai_stop());
ESP_ERROR_CHECK(twai_driver_uninstall());
tawi_state = 0x00;
}
tawi_mode = mode;
/* TWAI接口基本配置 */
twai_general_config_t twai_config = {
.controller_id = 0, /* TWAI控制器编号 */
.mode = mode, /* TWAI控制器操作模式 */
.tx_io = TWAI_TX_GPIO_PIN, /* 发送引脚 */
.rx_io = TWAI_RX_GPIO_PIN, /* 接收引脚 */
.clkout_io = TWAI_IO_UNUSED, /* 时钟输出引脚 */
.bus_off_io = TWAI_IO_UNUSED, /* 总线离线引脚 */
.tx_queue_len = 5, /* 发送队列长度 */
.rx_queue_len = 5, /* 接收队列长度 */
.alerts_enabled = TWAI_ALERT_NONE, /* 警告标志 */
.clkout_divider = 0, /* 时钟分频,1to14,0不用 */
.intr_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1, /* 中断优先级 */
};
/* TWAI接口位速率配置(官方提供1K到1Mbps常用配置宏) */
/* Note 波特率计算公式: baud = Ftwai / (tseg_1 + tseg_2 + tss) / brp */
twai_timing_config_t timing_config = {
.clk_src = TWAI_CLK_SRC_DEFAULT, /* 时钟源 */
.quanta_resolution_hz = 10000000, /* 时间单元的分辨率 */
.brp = 0, /* 时钟分频器 */
.tseg_1 = 15, /* 时间段1 */
.tseg_2 = 4, /* 时间段2 */
.sjw = 3, /* 再次同步跳跃宽度*/
.triple_sampling = false, /* 三重采样 */
};
/* 过滤器配置 */
twai_filter_config_t filter_config = {
.acceptance_code = 0, /* 接收码 */
.acceptance_mask = 0xFFFFFFFF, /* 接收掩码 0xFFFFFFFF表示全部接收 */
.single_filter = true, /* true:单过滤器模式;false:双过滤器模式 */
};
ESP_ERROR_CHECK(twai_driver_install(&twai_config, &timing_config,
&filter_config)); /* 安装TWAI驱动 */
ESP_ERROR_CHECK(twai_start()); /* 启动TWAI驱动 */
tawi_state = 0xFF;
return ESP_OK;
}
在TWAI初始化函数中，首先对twai_config结构体变量成员进行赋值，选择使用TWAI0，TWAI的操作模式由形参mode决定，TWAI的发送引脚选择使用的是IO27，接收引脚选择使用的是IO26，不使用CLKOUT和BUS_OFF引脚，发送和接收队列长度都设置为5。然后对timing_config结构体变量成员进行赋值，通过对clk_src、quanta_resolution_hz、tseg_1和tseg_2成员搭配设置，最终得到500k bps波特率。波特率达到500k bps时，就不采用三重采样。接着对filter_config结构体变量成员进行赋值，这里的配置直接接收所有ID的报文，并没有过滤特定ID的报文。最后调用twai_driver_install函数创建TWAI总线，调用twai_start函数启动TWAI总线，往后便可以通过twai_transmit函数发送报文，twai_receive函数接收报文。
接下来，看一下TWAI发送报文的函数twai_send_data，代码如下。
/**
* @brief TWAI发送一帧数据
* @note 发送格式固定为：标准ID,数据帧
* @param id:标准ID (11位)
* @param msg:数据指针,最大8个字节
* @param len:数据长度(最大8)
* @retval ESP_OK成功; ESP_FAIL失败
*/
esp_err_t twai_send_data(uint32_t id, uint8_t msg[], uint8_t len)
{
twai_message_t tx_msg = { /* 设置报文类型及格式 */
.extd = 0, /* 0标准帧; 1扩展帧 */
.rtr = 0, /* 0数据帧; 1远程帧 */
.ss = 1, /* 0错误重发; 1单次发送(仲裁或丢失时消息不会被重发) */
.self = 0, /* 报文是否为自收发(回环) */
};
if (tawi_mode == TWAI_MODE_NO_ACK) /* 无应答模式 + (self = 1) 实现自发自收功能 */
{
tx_msg.self = 1; /* 1把消息发送到总线上且接收自己发送的消息也接收总线上消息 */
}
/* 正常模式+(self=0)实现把消息发送到总线上,但不接收自己发送的消息且不接收总线上的消息 */
tx_msg.dlc_non_comp = 0; /* 0数据长度不大于8; 1数据长度大于8(非标) */
tx_msg.identifier = id; /* 标准帧格式(11位ID)/扩展帧格式(29位ID) */
tx_msg.data_length_code = len; /* 数据长度代码(字节为单位),数据帧数据符号大小 */
memset(&tx_msg.data, 0, sizeof(tx_msg.data)); /* 发送数据，对远程帧无效 */
for (int i = 0; i < len; i++) /* 复制数据到消息结构体 */
{
tx_msg.data[i] = msg[i]; /* 数据(最多8个字节,跟data_length_code匹配) */
}
/* 发送消息 */
ESP_ERROR_CHECK(twai_transmit(&tx_msg, pdMS_TO_TICKS(1000)));
return ESP_OK;
}
该函数的实现，主要调用twai_transmit函数。首先对tx_msg结构体变量成员进行赋值，把报文格式设置好。报文格式具体如下：标准帧、数据帧、单次发送。报文的自收发设置通过twai_mode全局变量决定，若TWAI操作模式为正常模式，就不接收自己报文，若是非应答模式可接收自己报文。报文ID和内容则是通过函数参数决定。
继续看一下TWAI查询接收数据的函数twai_receive_data，代码如下。
/**
* @brief TWAI接收数据查询
* @note 接收数据格式固定为:标准ID,数据帧
* @param id:要查询的 标准ID(11位)
* @param buf:数据缓存区
* @retval ESP_OK成功; ESP_FAIL失败
*/
esp_err_t twai_receive_data(uint32_t id, uint8_t buf[])
{
twai_message_t rx_message;
ESP_ERROR_CHECK(twai_receive(&rx_message, portMAX_DELAY));
if (rx_message.identifier == id)
{
for (int i = 0; i < rx_message.data_length_code; i++)
{
buf[i] = rx_message.data[i];
}
}
return ESP_OK;
}
该函数的实现主要调用twai_receive函数。定义一个rx_message结构体变量，后面把它的地址作为twai_receive函数的参数，若接收到报文，后续便可以通过rx_message变量获取到。
2. CMakeLists.txt文件
本例程的功能实现主要依靠QMI8658A驱动。要在main函数中，成功调用QMI8658A文件中的内容，就得需要修改BSP文件夹下的CMakeLists.txt文件，修改如下：
set(src_dirs
LED
KEY
LCD
MYIIC
XL9555
TWAI)
set(include_dirs
LED
KEY
LCD
MYIIC
XL9555
TWAI)
set(requires
driver
esp_lcd
esp_common)
idf_component_register( SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
3. main.c驱动代码
在main.c里面编写如下代码。
/**
* @brief CAN接收任务句柄
* @param arg: 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
static void twai_receive_task(void *arg)
{
arg = arg;
uint8_t ret = 0;
uint8_t rx_canbuf[8] = {0};
while (1)
{
ret = twai_receive_data(MSG_ID, rx_canbuf); /* 接收数据查询0x12报文 */
if (ret == ESP_OK) /* 接收到有数据 */
{
lcd_fill(30, 270, 130, 310, WHITE);
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
if (i < 4)
{
lcd_show_xnum(30+i*32,270,rx_canbuf[i],3,16,0X80,BLUE);
}
else
{
lcd_show_xnum(30+(i-4)*32,290,rx_canbuf[i],3,16,0X80,BLUE);
}
}
memset(rx_canbuf, 0, sizeof(rx_canbuf));
}
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
}
}
void app_main(void)
{
esp_err_t ret;
uint8_t key;
uint8_t i = 0, t = 0;
uint8_t cnt = 0;
uint8_t canbuf[8] = {0};
uint8_t twai_mode = 1;
ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if(ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
led_init(); /* LED初始化 */
key_init(); /* KEY初始化 */
myiic_init(); /* MYIIC初始化 */
xl9555_init(); /* XL9555初始化 */
lcd_init(); /* LCD屏初始化 */
twai_init(TWAI_MODE_NO_ACK); /* TWAI初始化 */
twai_mode = TWAI_MODE_NO_ACK; /* 标记TWAI模式 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32-P4", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "TWAI TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "NO_ACK Mode ", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "K0:Send K1:NORMAL", RED);
lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "K2:NO_ACK ", RED);
lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, "Count:", BLUE);
lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "Send Data:", BLUE);
lcd_show_string(30, 250, 200, 16, 16, "Receive Data:", BLUE);
xTaskCreatePinnedToCore(twai_receive_task, "TWAI_RX_TASK", 4096, NULL, 9,
&twai_receive_handle, tskNO_AFFINITY);
while (1)
{
key = xl9555_key_scan(0);
if (key == KEY0_PRES)
{
for (i = 0; i < 8; i++)
{
canbuf[i] = cnt + i;
if (i < 4)
{
lcd_show_xnum(30+i*32, 210, canbuf[i], 3, 16, 0x80, BLUE);
}
else
{
lcd_show_xnum(30+(i-4)*32,230,canbuf[i], 3, 16, 0x80, BLUE);
}
}
ret = twai_send_data(MSG_ID, canbuf, 8); /* ID=0x12, 发送8个字节 */
if (ret)
{
lcd_show_string(30 + 80, 190, 200, 16, 16, "Failed", BLUE);
}
else
{
lcd_show_string(30 + 80, 190, 200, 16, 16, "OK ", BLUE);
}
}
else if (key == KEY1_PRES)
{
if (twai_mode == TWAI_MODE_NO_ACK) /* 若当前是无应答模式 */
{
vTaskDelete(twai_receive_handle); /* 删除任务 */
twai_init(TWAI_MODE_NORMAL); /* 切换到正常模式 */
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "NORMAL Mode ", RED);
twai_mode = TWAI_MODE_NORMAL;
xTaskCreatePinnedToCore(twai_receive_task, "TWAI_RX_TASK", 4096,
NULL, 9, &twai_receive_handle, tskNO_AFFINITY);
}
}
else if (key == KEY2_PRES)
{
if (twai_mode == TWAI_MODE_NORMAL) /* 若当前是正常模式 */
{
vTaskDelete(twai_receive_handle); /* 删除任务 */
twai_init(TWAI_MODE_NO_ACK); /* 切换到无应答模式 */
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "NO_ACK Mode ", RED);
twai_mode = TWAI_MODE_NO_ACK;
xTaskCreatePinnedToCore(twai_receive_task, "TWAI_RX_TASK", 4096,
NULL, 9, &twai_receive_handle, tskNO_AFFINITY);
}
}
t++;
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
if (t == 20)
{
LED0_TOGGLE();
t = 0;
cnt++;
lcd_show_xnum(30 + 48, 170, cnt, 3, 16, 0X80, BLUE);
}
}
}
在app_main函数中，首先初始化所需的外设，注意TWAI此时默认配置为非应答模式，然后创建了TWAI的接收任务，后续在TWAI接收任务中查询是否接收到数据。在while循环中，通过检测按键去选择操作，若KEY0按下，发送报文消息；若KEY1按下，设置TWAI模式为正常模式；若KEY2按下，设置TWAI模式为非应答模式。以上操作会更新LCD屏的显示内容。
twai_receive_task函数便是TWAI接收任务，在函数中，主要就是调用twai_receive_data函数查询是否接收到数据，若接收到数据，就会在LCD上显示出来。
36.4 下载验证
将程序下载到开发板后（注意两个开发板都要下载这个代码），可以看到LED0不停闪烁，提示程序已经在运行了，可看到LCD显示的内容如图36.4.1所示：
图36.4.1 TWAI实验程序运行效果图
默认设置的是非应答模式，按下KEY0可以在LCD屏上看到自发自收的数据，如下图所示。
图36.4.2 TWAI非应答模式操作效果
这时候可以通过按下KEY1切换到正常模式，正常模式下，就必须连接两个开发板的CAN接口，然后便可以互发数据了，如图36.4.3和图36.4.4所示。
图36.4.3 TWAI正常模式发送数据
图36.4.4 TWAI正常模式接收数据
图36.4.3来自开发板A，发送了8个数据，图36.4.4来自开发板B，接收到了来自开发板A的8个数据。