过滤器理论与实验

Tutorial: 卓越工程师 Category: 嵌入式 Published: 2026-10-23 11:05:29 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

190.1.13 过滤器理论与实验

/* canif.c：本课 16 位列表模式实验时的过滤器配置。 */
void Can_Filter_Init(void) /* 配置过滤器组 0，并在配置完成后启动 CAN。 */
{
	CAN_FilterTypeDef Can_FilterConfig; /* 定义 HAL 过滤器配置结构体。 */

	Can_FilterConfig.FilterBank = 0; /* 选择过滤器组 0。 */
	Can_FilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDLIST; /* 实验改为标识符列表模式。 */
	Can_FilterConfig.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_16BIT; /* 把两个 32 位寄存器划分为四个 16 位列表槽。 */
	Can_FilterConfig.FilterIdHigh = 0x12 << 5; /* 把标准 ID 0x12 放到该 16 位槽的 bit15:5。 */
	Can_FilterConfig.FilterIdLow = 0x0; /* 第二个列表槽保留为 0；这也会额外匹配相应的 ID 0 帧。 */
	Can_FilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0; /* 列表模式下该字段不再是掩码，而是第三/第四列表槽之一。 */
	Can_FilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0; /* 列表模式下该字段同样作为另一个 16 位 ID 槽。 */
	Can_FilterConfig.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0; /* 把匹配报文送入 FIFO0。 */
	Can_FilterConfig.FilterActivation = CAN_FILTER_ENABLE; /* 启用过滤器组 0。 */
	Can_FilterConfig.SlaveStartFilterBank = 14; /* 双 CAN 器件用于划分 CAN1/CAN2；本单 CAN F103 中没有实际作用。 */

	if (HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &Can_FilterConfig) != HAL_OK) /* 把配置写入 bxCAN 过滤寄存器。 */
	{
		Error_Handler(); /* 配置失败时进入工程统一错误处理。 */
	}

	HAL_CAN_Start(&hcan); /* 配置完成后启动 CAN。 */
}

/* 课堂重新讲解的初始 16 位掩码全通配置；以下四行与上面的列表实验互为替代方案。 */
Can_FilterConfig.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; /* 选择标识符/掩码模式。 */
Can_FilterConfig.FilterIdHigh = 0x0; /* 第一组过滤值为 0。 */
Can_FilterConfig.FilterIdLow = 0x0; /* 第二组过滤值为 0。 */
Can_FilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x0; /* 对应掩码全 0，所有位都不参与比较。 */
Can_FilterConfig.FilterMaskIdLow = 0x0; /* 另一组掩码也全 0，因此形成全通过配置。 */

源码范围说明：代码块记录了视频中真正测试的 IDLIST + 16BIT + (0x12 << 5) 变体，以及随后用于解释的初始全 0 掩码配置。两组赋值是互相替换的实验状态，不应同时放在同一函数中。归档的 06Can_DHT11_OLED_Filter 最终已回到 IDMASK + 全 0，所以不能只看归档末态误以为课堂没有做列表实验。

一、过滤器理论

bxCAN 接收过滤器位于“总线接收逻辑”和“FIFO0/FIFO1”之间。报文到达控制器后，硬件把它的标识符及帧类型位与启用的过滤器比较：

CAN 总线上的报文
        ↓
  硬件过滤器组 0…N
     ├─ 匹配 → 写入该过滤器指定的 FIFO0 或 FIFO1
     └─ 全部不匹配 → 不进入接收 FIFO，软件无需处理

过滤器不会阻止报文在物理总线上传播，也不会修改发送节点；它只决定本节点是否把该帧存入接收 FIFO。硬件过滤能减少 CPU 唤醒、FIFO 占用和软件 ID 判断量。

1.1 过滤器的数量

“过滤器数量”更准确地叫 filter bank（过滤器组）数量：

STM32F103 这类单 CAN1 器件有 14 个专用过滤器组，编号 0～13；
STM32F105/107 互联型器件带 CAN1/CAN2，共享 28 个过滤器组；
STM32F407 等带双 bxCAN 的器件也通常由 CAN1/CAN2 共享 28 个组，具体分界由 SlaveStartFilterBank 配置。

不能简单记成“所有 F1 都 14、所有 F4 都 28”；应查看具体型号参考手册和 HAL 条件宏。项目所用 STM32F103ZET6 只有 CAN1，因此 HAL 源码走“14 个专用组”的分支，SlaveStartFilterBank=14 不参与双 CAN 划分。

1.2 过滤器的作用

同一 CAN 总线上的所有节点都能观察到物理报文，但一个 ECU 往往只关心其中少数 ID。如果所有帧都进入 FIFO，再由 switch(Recv_ID) 丢弃无关帧，会增加中断和软件负担；过滤器可以在硬件层先完成第一道筛选。

过滤规则比较的不只是“十六进制 ID 文本”。过滤器槽中还按规定位置包含 IDE、RTR，以及在某些格式下的扩展 ID 位。因此，配置时必须按参考手册位布局把标准 ID 左移，不能直接写 0x12。

过滤器的另一个职责是 FIFO 分配。不同过滤器组可以把不同类型报文送到 FIFO0 或 FIFO1，从而让软件用不同中断、优先级或处理路径分流数据。

1.3 过滤器的结构

每个过滤器组有两个 32 位寄存器 CAN_FxR1 和 CAN_FxR2，总计 64 个配置位。FilterScale 和 FilterMode 共同决定如何解释这 64 位：

尺度	模式	一个过滤器组表达的规则
32 位	掩码	1 个 32 位过滤值 + 1 个 32 位掩码
32 位	列表	2 个精确的 32 位标识符槽
16 位	掩码	2 组“16 位过滤值 + 16 位掩码”
16 位	列表	4 个精确的 16 位标识符槽

所以原笔记“过滤器可保存 2 或 4 个 16 位数据、1 或 2 个 32 位数据”缺少模式条件。不是每个数都同时是独立 ID：在掩码模式中，其中一半是掩码。

项目 HAL 在 16 位尺度下的字段装载顺序是：

FR1[15:0]  ← FilterIdLow
FR1[31:16] ← FilterMaskIdLow
FR2[15:0]  ← FilterIdHigh
FR2[31:16] ← FilterMaskIdHigh

列表模式下四个字段都被解释成 ID 槽；掩码模式下则组成 IdLow/MaskIdLow 与 IdHigh/MaskIdHigh 两对。字段名称主要兼顾 32 位模式，不能仅凭 High/Low/Mask 字面猜测 16 位列表模式的槽位意义。

1.3.1 例题：列表模式应用

列表模式做精确相等匹配。对于 16 位尺度的标准帧槽，位布局为：

bit15                              bit5 bit4 bit3 bit2      bit0
┌────────────────────────────────────┬────┬────┬─────────────┐
│          Standard ID[10:0]         │ RTR│ IDE│ ExtID[17:15]│
└────────────────────────────────────┴────┴────┴─────────────┘

本实验是标准数据帧：ID=0x12、RTR=0、IDE=0，所以配置值为：

Filter16 = (0x12 << 5) | (0 << 4) | (0 << 3) = 0x0240

这就是课程写 0x12 << 5 的原因。标准 ID 占 11 位，要从 16 位槽的 bit15 开始排列，低 5 位留给 RTR、IDE 和扩展 ID 的一部分。

实验步骤与现象：

把模式改为 CAN_FILTERMODE_IDLIST，尺度保持 CAN_FILTERSCALE_16BIT；
将一个列表槽写为 0x12 << 5，编译并烧入接收端，ID 0x12 报文可以进入 FIFO0；
把同一槽改为 0x13 << 5，重新编译烧写，发送端仍发 0x12 时不再匹配；
改回 0x12 << 5 后恢复接收。

本实验还有一个常被忽略的副作用：16 位列表模式的四个槽都会参与匹配。课堂只给一个槽写 0x12 << 5，其余三个保持 0，因此除了 ID 0x12 的标准数据帧，还可能接受与零槽编码相等的帧，例如标准数据帧 ID 0。若只想接收一个 ID，可把四个槽都填成同一个目标值，或选择更合适的掩码/尺度，不能把 0 自动理解为“槽已禁用”。

列表模式匹配的是打包后的 ID/RTR/IDE 位。0x12 << 5 同时限定为标准数据帧；若希望接收相同 ID 的远程帧，RTR 位必须按规则配置另一个列表槽。

1.3.2 例题：掩码模式应用

掩码模式的准确比较公式是：

(接收值 & 掩码) == (过滤值 & 掩码)

逐位理解：

掩码位为 1：接收帧该位必须与过滤值对应位相同；过滤值可以是 0，也可以是 1；
掩码位为 0：该位不比较，接收帧取 0 或 1 都可以。

因此原笔记“掩码为 1 的位要求接收 ID 也为 1”不完整。掩码只决定“比不比较”，真正要求相等的目标值来自过滤 ID。

几个 11 位标准 ID 的例子：

目标	过滤 ID	11 位 ID 掩码	结果
全部通过	任意	`0x000`	ID 位全部不比较
只匹配 ID `0x12`	`0x012`	`0x7FF`	11 个 ID 位全部精确相等
匹配 `0x120～0x12F`	`0x120`	`0x7F0`	比较高 7 位，低 4 位任意
匹配偶数 ID	`0x000`	`0x001`	只比较最低位，要求它等于过滤值的 0
匹配奇数 ID	`0x001`	`0x001`	只比较最低位，要求它等于过滤值的 1

写进 16 位过滤槽时，ID 和 11 位掩码都要左移 5 位。例如只比较 11 位 ID 0x12：

Can_FilterConfig.FilterIdHigh = 0x12 << 5;        /* 目标标准 ID。 */
Can_FilterConfig.FilterMaskIdHigh = 0x7FF << 5;   /* 仅比较全部 11 个 ID 位。 */

上述掩码没有比较低 5 位，所以重点是 ID；若还要严格限定标准数据帧，可让掩码同时比较 RTR 和 IDE，过滤值中对应位保持 0。16 位槽中可使用：

Mask16 = (0x7FF << 5) | (1 << 4) | (1 << 3) = 0xFFF8

最初工程四个字段全写 0，掩码也全 0，所以比较式两边恒为 0，表现为“全部通过”。左移 0 仍是 0，因此早期代码即使没有显式写 <<5，全通结果也不受影响；一旦配置非零 ID 或掩码，就必须按位布局计算。

32 位尺度下，标准 ID 位于 32 位过滤值的 bit31:21，通常要按 32 位格式左移 21 位并正确放置 IDE/RTR。它不是把 16 位写法中的 5 随便换成另一个数字，而是要按参考手册完整布局。扩展 ID 需要 29 位，更适合使用 32 位尺度。

过滤器实验应同时观察三件事：发送端实际 ID、接收端是否有帧、过滤器最终配置。轮询工程在无匹配帧时打印 recv eorro，只代表 FIFO0 当前为空，不是过滤器硬件“报错”。

本节位布局、四种组态和过滤组数量均依据项目所用 HAL 装载逻辑与 ST 官方 RM0008 bxCAN 过滤器章节核对。

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