RXマイコン C++ フレームワークによる CAN 通信 #C++

GR-CITRUS と RX72T ボードの CAN 通信

RX マイコンに備わっている CAN ペリフェラル

RX マイコンには、CAN 通信（ISO11898-1仕様準拠）を行う機能を備えた品種が数多くあります。
又、複数チャネルを持った品種もあり、様々な構成に対応可能です。

外部に付加するハードウェアーは、CAN バスに対応したトランシーバーを追加するだけで良く、高品質な通信を簡単に行う事が出来ます。

CAN 通信では、最大８バイトのパケットを、1M B.P.S. 程度で送信、受信し、複数の機器をバス状に接続出来ます。
通信信号は、差動で行い、ノイズに強く、長い通信路でも品質を維持します。
パケットは、ID で管理され、ネゴシエーションが自動で行われ、送信タイミングに特別な制限がありません。
※詳しくは、CAN の解説を参照して下さい。

ＲＸマイコン内蔵の CAN ペリフェラルを使い、実際にソフトウェアを実装して利用するには、それなりのハードルがあるものと思います。
※スマートコンフィギュレーターを使って設定を生成する等も一つの選択肢ではありますが、C++ フレームワークの導入は、それより遥かに簡単で、有意義と思います。
※「can_io.hpp」をインクルードするだけですから・・

RX マイコン C++ フレームワークでは、CAN 通信における運用を一般化して、アプリケーションの実装に専念できるようにしています。
C++ を使ったクラスは、簡単で柔軟性があり、間違いが少ない方法で、データ通信が可能なように設計されています。
CAN レジスターや振る舞いに対する知識は殆ど必要ありません。

サンプルプログラムは、RX62N, RX631, RX64M, RX71M, RX66T, RX72T, RX72N に対応したプロジェクトを用意してあります。
※RX63T、RX651/RX65N でも、Makefile を用意すれば同じように利用可能です。

アプリケーションは、フレームワークに従えば、どのＲＸマイコンでも同じように動作するように実装出来るので、ソースコードの再利用が可能です。

RX62N: FRK-RX62N(CQ 出版社) / BlueBoard-RX62N_100pin を利用
RX631: GR-CITRUS を利用
RX72N: RX72N Envision Kit を利用

RSCAN について

RX マイコンには、RSCAN と呼ばれるペリフェラルを備えた品種も存在します。（RX220、RX24T など）
RSCAN は、周波数が低めの RX マイコン向けのようで、ソフトウェアの比重を少なくし、なるべくハードウェアーで処理させるものと思います。
※その為、制限もあるものと思います。
現在、C++ フレームワークではサポートしていません。

CAN バス・トランシーバーの接続

RX マイコンの CAN 信号は、CTX、CRX の二本で、RX マイコンの品種によって異なりますが、多くの選択肢からポートにアサイン可能です。

バス・トランシーバーは、3.3V、5V 品があり、電源電圧に対応した IC を選択する必要があります。

CAN バス・トランシーバーの代表的な品種

Texas Instruments: SN65HVD23x

3.3V 動作
5V 不可
最大 1 Mbit/s

NXP Semiconductors: TJA1441

5V 動作
I/O 電圧 3.3V、5V 選択可
最大 5 Mbit/s

秋月電子では、現在、３種類の CAN バス・トランシーバーを扱っていますが、電源電圧は 5V なので、マイコンが 3.3V 品の場合、別途 5V が必要です。

Amazon:
SN65HVD230 CANバストランシーバー通信モジュール

SN65HVD230 の参考回路：

CAN バスポート選択肢

RX マイコン C++ フレームワークでは、ポートの選択肢を変更する機構を備えています。

	typedef device::CAN0 CAN0_CH;
	static constexpr auto CAN0_PORT = device::port_map::ORDER::FIRST;

	typedef device::can_io<CAN0_CH, CAN_RXB, CAN_TXB, CAN0_PORT> CAN0;
	CAN0	can0_;

上記のように「device::port_map::ORDER」型を使って、can_io テンプレートクラスに指示します。

選択肢は、各マイコンの「port_map.hpp」に実装があります。
※ハードウェアーマニュアルの「マルチファンクションピンコントローラ（MPC）」の表に記された順番に準拠しています。
上記の場合、FIRST は、以下のように定義されています。

			case peripheral::CAN0:
			// P33/CRX0
			// P32/CTX0
				{
					uint8_t sel = enable ? 0b1'0000 : 0;
					PORT3::PMR.B3 = 0;
					PORT3::PMR.B2 = 0;
					MPC::P33PFS.PSEL = sel;  // ok
					MPC::P32PFS.PSEL = sel;  // ok
					PORT3::PMR.B3 = enable;
					PORT3::PMR.B2 = enable;
				}
				break;

「device::port_map::ORDER::SECOND」とすると、PD2/CRX0、PD1/CTX0 が選択されます。
詳しくは、各マイコンの port_map.hpp を参照して下さい。

GR-CITRUS の場合 (FIRST)：
P33/RXD3/SCL3(11) : CRX
P32/TXD3/SDA3(10) : CTX

サンプルプログラムのダウンロードとコンパイル

RX マイコン C++ フレームワークは、Github で入手可能です。
C++ コンパイラ、gcc-8.3.0 は、ルネサスエレクトロニクスからダウンロード可能です。
コンパイルには、MSYS2（Windows）をインストールする必要があります。
boost-1.74.0 が必要です。
テキストエディターが必要なら、VSCode をインストールして下さい。
Windows のターミナルソフトは TeraTerm が便利です。

参照：

コンパイル

GR-CITRUS の場合：
CAN_sample/RX631 に移動、「make」します。

/d/Git/RX/CAN_sample/RX631 % make

...

   text    data     bss     dec     hex filename
  96428   16880   10836  124144   1e4f0 can_sample.elf
rx-elf-objcopy --srec-forceS3 --srec-len 32 -O srec can_sample.elf can_sample.mot
rx-elf-objdump -h -S can_sample.elf > can_sample.lst

※CC-RX コンパイラは、C++11 以降に対応していない為、コンパイルする事が出来ません。

CAN サンプルの使い方

CAN サンプルでは、シリアルターミナルを接続して、対話形式によって CAN 通信を行います。
※通常二台で通信するので、通信実験を行うには、CAN 対応ＲＸマイコン、USB シリアルなど二組必要です。

CAN サンプルでは、CAN0 のインスタンスに対して「can_analizer」クラスによるデータ収集、解析を提供しています。
複数チャネルを有効にした場合、CAN1 のインスタンスに対して、ID フィルターを行うコンパイルオプションがあります。

下記の例は、GR-CITRUS と RX72T-DIY ボードによるものです。
共にシングルチャネルで、双方でデータ送信、受信を実験します。

対話コマンド

対話形式で、CAN データ送信、受信の確認等が出来ます。

プログラムを起動すると、常に全ての ID を受信します。
ID の収集は「can_analizer」クラスで行っており、boost::unoderd_map を使っています。
ID の収集がメモリの限界を超えると、メモリ不足でエクセプションがスローされてクラッシュすると思われます。
send_loop コマンドにより、乱数で生成した ID、データを連続で送信します。
ID を補足する機能（map）は、チャネル０番のみに備わっています。
RX64M/RX71M では、２チャネルの CAN を有効にします。
CAN1 の受信では、受信したデータを常に表示します。
MB-no はメールボックスの番号です。
メールボックス関係のコマンドは、デバッグ用です。
受信した CAN フレームは、メモリに格納され、「dump」コマンドで確認出来ます。
同じ ID に新しいデータフレームが来ると、上書きされ、カウンタが進みます。

CAN command version: 1.00
    ext                    set ext-id mode
    std                    set std-id mode
    send CAN-ID [data...]  send data frame
    stat MB-no             stat MCTLx register (MB-no: 0 to 31)
    list MB-no             list MBx register (MB-no: 0 to 31)
    status                 list recv/send error count
    clear [CAN-ID]         clear map
    map [CAN-ID]           Display all collected IDs
    dump CAN-ID            dump frame data
    send_loop NUM [-rtr]   random ID, random DATA, send loop (RTR)
    help                   command list (this)

  Input number: nnn decimal, xnnn hexa-decimal, bnnn binary

ch コマンド

「#define MULTI」を有効にした場合で、CAN1 のインスタンスがある場合に、カレントチャネルを変更する。

valid コマンド

VALID フィルターを有効にする、無効にする。

valist コマンド

有効な ID リストを表示。

ext コマンド

拡張 ID モードにする。

std コマンド

標準 ID モードにする。

send CAN-ID [data...] コマンド

ID を指定して、データ列を送信。
ID のみの場合、リモートフレームの送信。
最大８バイトのデータ列送信。
数値は、１０進数、１６進数（先頭に x を付ける）、２進数（先頭に b を付ける）を入力可能。

stat MB-no コマンド（デバッグ用）

CAN MCTLx レジスターの表示。
MB-no は、０～３１

list MB-no コマンド（デバッグ用）

CAN MBx レジスターの表示。
MB-no は、０～３１

clear [CAN-ID] コマンド

can_analizer クラスの個別 ID 情報のクリア。
can_analizer クラスの収集履歴を全てクリア。

map [CAN-ID] コマンド

can_analizer クラスが収集した ID の表示。
個別 ID の詳細表示。

dump [CAN-ID] コマンド

can_analizer クラスの個別 ID に関するフレームデータ表示。
フレームデータは、その ID が最後に取得したものになります。

send_loop [num] コマンド

ID を乱数で生成して、データ送信を行う。
データ送信を繰り返す数を指定する。

help コマンド

コマンドの簡単な説明を表示。

can_io クラス

can_io クラスは、CAN フレームを FIFO バッファを通してやりとりし、CAN ハードウェアーの操作を隠蔽しています。
基本的に、ID を指定して、データ列を送るだけです。
受信動作では、CAN フレームクラスにデータがセットされてバッファに積まれます。
アプリケーションは、バッファに積まれたデータをディスパッチして所定の動作を行うだけです。
必要な情報を取得する事も出来ます。
詳細は「common/can_io.hpp」を参照下さい。

CAN チャネル

ＲＸマイコンの種類により、利用出来るチャネル数が異なります。
CAN の通信ラインを利用可能なポートにアサイン出来ない場合があります。
ポートのアサインは、port_map.hpp を参照して下さい。
「ハードウェアーマニュアル、マルチファンクションピンコントローラ（MPC）、マルチプル端子の割り当て端子一覧」でも確認する事が出来ます。
インスタンスを定義する時、「device::CAN0」のように指定します。

マイコン	RX621/RX62N	RX631/RX63N	RX64M/RX71M	RX651/RX65N	RX72N	RX66T/RX72T
CAN0(CAN)	〇	〇	〇	〇	〇	〇
CAN1	－	〇	〇	〇	〇	－
CAN2	－	〇	〇	－	〇	－

受信、送信バッファのサイズ指定

utils::fixed_fifo テンプレートクラスを使い、「device::can_frame」型（クラス）で定義します。

can_io テンプレートクラスの「typedef」で、以下のように定義します。（受信、送信、256 フレームの場合）

	// CAN 受信バッファの定義
	typedef utils::fixed_fifo<device::can_frame, 256> CAN_RXB;
	// CAN 送信バッファの定義
	typedef utils::fixed_fifo<device::can_frame, 256> CAN_TXB;

	typedef device::can_io<CAN0_CH, CAN_RXB, CAN_TXB, CAN0_PORT> CAN0;
	CAN0	can0_;

サイズは、メインループのリフレッシュレート、CAN フレームの通信頻度により適切な値を定義します。
メインループを 1/100 秒で回すのなら、1M B.P.S の通信速度なら、最大のフレーム数は 160 位なので、256 あれば十分でしょう。
16 フレーム以下のサイズを指定した場合、static_assert によりコンパイルを失敗します。

通信速度の指定

CAN の通信速度は、125K ～ 1M の間で選択出来ます。

		//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
		/*!
			@brief  CAN スピード型
		*/
		//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
		enum class SPEED {
			_50K  =    50'000,	///<  50 Kbps（標準ではない）
			_100K =   100'000,	///< 100 Kbps（標準ではない）
			_125K =   125'000,	///< 125 Kbps
			_250K =   250'000,	///< 250 Kbps
			_500K =   500'000,	///< 500 Kbps
			_750K =   750'000,	///< 750 Kbps（標準ではない）
			_1M   = 1'000'000	///< 1 Mbps
		};

CAN の開始

通信速度を指定して、「start」を呼ぶだけです。
必要な設定は、全て、can_io クラスが行います。
何等かの理由で、開始出来ない場合「false」が返ります。
何も指定しない場合、割り込みの優先度はレベル「１」が使われます。

		if(!can0_.start(CAN::SPEED::_1M)) {
			utils::format("Can't start CAN0...\n");
		} else {
			utils::format("CAN0: SPEED: %u [bps], BRP: %u, TSEG1: %u, TSEG2: %u, SJW: %u\n")
				% can0_.get_speed()
				% can0_.get_bcr_brp() % can0_.get_bcr_tseg1() % can0_.get_bcr_tseg2()
				% can0_.get_bcr_sjw();
			utils::format("    RX Interrupt level: %u, TX Interrupt level: %u\n")
				% static_cast<uint16_t>(can0_.get_rxm_level())
				% static_cast<uint16_t>(can0_.get_txm_level());
		}

フレームの送信

フレームの送信は、ID、データ列、データサイズのパラメータで行います。

		//-----------------------------------------------------------------//
		/*!
			@brief  データ送信 @n
					src が「nullptr」、又は「len」が「０」の場合、リモートフレーム送信。
			@param[in]	id		SID+EID の ID
			@param[in]	src		送信データポインター
			@param[in]	len		送信データ数
			@param[in]	ide		拡張モードの場合「true」
			@return 成功なら「true」
		*/
		//-----------------------------------------------------------------//
		bool send(uint32_t id, const void* src, uint32_t len, bool ide = false) noexcept

ID: 1000 で、データ列：1, 2, 3, 0xa, 0xb, 0xc を送信。

    uint8_t data[] = { 1, 2, 3, 0xa, 0xb, 0xc };
    can0_.send(1000, data, sizeof(data));

ID: 900 のリモートフレーム（データ列が無い）を送信。

    can0_.send(900, nullptr, 0);

拡張 ID: 0x10000 のリモートフレーム送信。

    can0_.send(0x10000, nullptr, 0, true);

何等かの理由で送信に失敗すると「false」が返ります。

フレームの受信

受信したフレームは、FIFO バッファに格納されます。
受信したフレーム数を取得します。
フレーム数分、受信フレームを取り出して処理します。
この処理は、メインループ内で常に動かして、バッファが溢れないように配慮する必要があります。
サンプルでは、メインループを 100Hz で動かしています。（一つのターンが 10 ミリ秒）
タイミング的に、フレームを受信して応答するまでに、最悪 10 ミリ秒かかります。
メインループのリフレッシュレートは、通信の頻度、バッファのサイズ、応答速度などにより決定します。

		while(can0_.get_recv_num() > 0) {
			auto frm = can0_.get_recv_frame();
			utils::format("\nCAN0:\n");
			CAN::list(frm, "  ");
		}

can_frame クラス

受信したフレームは、このクラスにコピーされます。
詳細は、can_frame クラスを参照下さい。

CAN/ID フィルター

CAN では、パケットは ID で管理する為、誰かが、パケットを送信すると、全員に同じ物が届きます。
その為、自分に必要が無いパケットは無視する事になります。
CAN ペリフェラルは、特定の ID にだけ応答するような設定も可能ですが、個数に制限があり、開始する前に決めなければなりません。
この仕様では一般化が難しいので、常に全てのパケットを受信するようにしています。
RX マイコンは、非常の性能が高いので、全てのパケットに応答しても、全体のパフォーマンスが低下する事は少ないです。
C++ を使うと、特定のパケットにだけ応答する機能を簡単に、効率良く実装出来ます。
ビットマスクも併用すれば、効率はさらに上がります。（ビットマスクだけなら、さらに簡単）
フィルタ処理をソフトウェアで行えば柔軟性は無限大です。

main.cpp には、通過する事が出来る ID リストを使った、フィルターのサンプルコードが含まれます。
※この機能は、「MULTI」チャネルの場合に利用されています。
※シングルチャネルの場合、「can_analizer」クラスが標準で、このクラスが、ID の収集を自動で行っています。

フィルターには、「boost/unordered_set.hpp」を利用しています。

main.cpp の先頭で、「#define VALID_FILTER」をコメントアウトすると、フィルターをスルーします。

有効な ID テーブルは、以下のように定義します。
boost::unordered_set を使っています。

	// 有効な ID だけ通すフィルター
	typedef boost::unordered_set<uint32_t> VALID;
	VALID	valid_{ 0x123, 0x200, 0x300, 0xaaa, 15, 21, 33 };

メインループで、CAN の受信フレームをディスパッチする際に、ID が有効か確認し、無効な ID を無視します。

		while(can1_.get_recv_num() > 0) {
			auto frm = can1_.get_recv_frame();
#ifdef VALID_FILTER
			if(valid_.find(frm.get_id()) != valid_.end()) {  // ID がマッチするか？
#else
			{
#endif
				utils::format("\nCAN1:\n");
				CAN::list(frm, "  ");
			}
		}

「boost::unordered_set」はハッシュを使ったテンプレートクラスで、フィルターの数は、メモリ（RAM）の容量に依存します。
ハッシュを使っているので、効率よく（少ないコストで）探します。
ID を動的に追加したり、削除したりが簡単に行えます。
「unordered_map」を使えば、指定 ID での挙動（コールバック関数）などをコントロールする事も出来ます。
このような実装は、C++ の本領発揮で、本当に便利で簡単です。

まとめ

C++ で実装された CAN 通信クラスのおかげで、CAN 通信を手軽に行う事が出来ます。
組み込みマイコンで、C++ を積極利用する人は少ないのですが、高性能な RX マイコンなら、習得する価値は十分大きいと思います。

RXマイコン C++ フレームワークによる CAN 通信