CAN總線“錯(cuò)誤”不在可怕
CAN總線是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，CAN總線應(yīng)運(yùn)而生，圖1為CAN總線在汽車中的應(yīng)用圖。
圖1 汽車中CAN總線的應(yīng)用
CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。圖2為CAN總線網(wǎng)路圖，它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)而有力的技術(shù)支持。
圖2 CAN總線網(wǎng)路圖
CAN總線作為可靠性非常高的總線，出錯(cuò)概率非常小，這也是它被廣泛應(yīng)用的原因之一。在CAN總線的實(shí)際研發(fā)中，相較于CAN總線的正確幀，工程師更關(guān)注CAN總線的錯(cuò)誤幀，下面將為大家展現(xiàn)CANscope波形常見的幾類錯(cuò)誤，圖3為干擾導(dǎo)致的CAN通訊錯(cuò)誤。
圖3 錯(cuò)誤波形圖
圖4為終端電阻并聯(lián)過多，差分電平幅值太小導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)識(shí)別失敗的錯(cuò)誤。
圖4 錯(cuò)誤波形圖
圖5為總線支線過長，電平下降沿臺(tái)階過高，導(dǎo)致位寬度失調(diào)的錯(cuò)誤。
圖5 錯(cuò)誤波形圖
圖6為卡車打開/關(guān)閉大燈時(shí)，耦合到CAN總線上的干擾，導(dǎo)致的錯(cuò)誤。
圖6 錯(cuò)誤波形圖
圖7為波特率異常（位寬度從2us突然變成1.6us），導(dǎo)致位錯(cuò)誤。
圖7 錯(cuò)誤波形圖
CAN總線的錯(cuò)誤都有哪些形式，相互之間有什么樣的關(guān)系，以及總線的檢測(cè)與校驗(yàn)的原理是什么？
CAN總線的錯(cuò)誤幀可分為位錯(cuò)誤、位填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤五大類，每類錯(cuò)誤的具體解釋如圖8所示，此圖簡潔明了的展現(xiàn)了各種錯(cuò)誤。
CAN總線的錯(cuò)誤幀可分為位錯(cuò)誤、位填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤五大類，每類錯(cuò)誤的具體解釋如圖8所示，此圖簡潔明了的展現(xiàn)了各種錯(cuò)誤。
圖8 錯(cuò)誤波形圖
CAN報(bào)文傳輸過程中出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤，會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀，以上所述的錯(cuò)誤幀類型中根據(jù)其錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)符不同，可分為“主動(dòng)錯(cuò)誤”和“被動(dòng)錯(cuò)誤”。
主動(dòng)錯(cuò)誤：檢測(cè)錯(cuò)誤主動(dòng)報(bào)錯(cuò)，發(fā)出錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)符（連續(xù)6個(gè)顯性位）和錯(cuò)誤界定符（連續(xù)8個(gè)隱形位）；目的在于“主動(dòng)”通知錯(cuò)誤，即使別的節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)此錯(cuò)誤；
被動(dòng)錯(cuò)誤：檢測(cè)錯(cuò)誤，被動(dòng)等待其他節(jié)點(diǎn)報(bào)錯(cuò)后發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)符（連續(xù)6個(gè)隱形位）和錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)符（連續(xù)8個(gè)隱形位）；目的在于識(shí)別錯(cuò)誤，回應(yīng)主動(dòng)錯(cuò)誤；
總線關(guān)閉：節(jié)點(diǎn)不參與總線通訊；
為了避免某個(gè)設(shè)備因?yàn)樽陨碓颍ɡ缬布p壞）導(dǎo)致無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)而不斷地破壞數(shù)據(jù)幀，從而影響其他正常節(jié)點(diǎn)通訊，CAN-bus規(guī)范中規(guī)定每個(gè)CAN控制器都有一個(gè)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和一個(gè)接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。根據(jù)計(jì)數(shù)值不同CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)處于不同的設(shè)備狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖9所示：
圖9 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換圖
接收、發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的變動(dòng)條件及數(shù)值變動(dòng)情況：
(1)接收單元檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，檢測(cè)到錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)符或過載標(biāo)志的“位錯(cuò)誤”除外，此時(shí)REC+1、TEC不變；
(2)接收單元在發(fā)送完錯(cuò)誤標(biāo)志后檢測(cè)到第一位為顯性電平，此時(shí)REC+8、TEC不變；
(3)發(fā)送單元輸出錯(cuò)誤標(biāo)志，此時(shí)REC不變、TEC+8；
(4)發(fā)送單元發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志或過載標(biāo)志，檢測(cè)出位錯(cuò)誤，REC不變、TEC+8；
(5) 接收單元發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志或過載標(biāo)志，檢測(cè)出位錯(cuò)誤，REC+8、TEC不變；
(6)各單元從主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志、過載標(biāo)志的開始檢測(cè)出連續(xù)14個(gè)顯性位，之后每檢測(cè)出連續(xù)8個(gè)顯性位，發(fā)送時(shí)REC+8、接收時(shí)TEC+8；
(7)檢測(cè)出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后追加連續(xù)8個(gè)位的顯性位，發(fā)送時(shí)REC+8、接收時(shí)TEC+8；
(8) 發(fā)送單元正常接收數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)（返回ACK且到幀結(jié)束位檢測(cè)到錯(cuò)誤），REC不變、TEC-1；
(9) 接收單元正常接收數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)（到CRC未檢測(cè)出錯(cuò)誤且正常返回ACK），REC<127時(shí)，rec-1，rec>127時(shí)，REC=127；TEC不變；
(10)處于總線關(guān)閉的單元，檢測(cè)到128次連續(xù)11個(gè)位的隱形位，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器歸零，REC、TEC=0；
CAN總線錯(cuò)誤處理功能屬于是鏈路層功能，此功能由CAN控制器決定，如圖10所示CAN控制介紹圖，其中詳細(xì)介紹與錯(cuò)誤處理有關(guān)的部分：位流處理器、位邏輯控制、錯(cuò)誤管理邏輯。
(11)位流處理器（BSP）是一個(gè)控制發(fā)送緩沖器、接收FIFO和CAN總線之間數(shù)據(jù)流的程序裝置，它還執(zhí)行總線上的錯(cuò)誤檢測(cè)、仲載、總線填充和錯(cuò)誤處理。
(12)位時(shí)序邏輯（BTL）監(jiān)視串行的CAN總線和位時(shí)序，它在信息開頭“弱勢(shì)支配”的總線傳輸時(shí)，同步 CAN總線位流（硬同步），接收?qǐng)?bào)文時(shí)再次同步下一次傳送（軟同步）。
(13) 錯(cuò)誤管理邏輯（EML）負(fù)責(zé)限制傳輸層模塊的錯(cuò)誤，它接收來自位流處理器的出錯(cuò)報(bào)告，然后把有關(guān)錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)告訴位流處理器和接口管理邏輯（IML）。
圖10 CAN控制器
CAN控制器的信號(hào)從CAN收發(fā)器的TXD發(fā)送到總線，同時(shí)被RXD收回進(jìn)行檢測(cè)，以此達(dá)到實(shí)時(shí)的接收錯(cuò)誤檢測(cè)、發(fā)送錯(cuò)誤檢測(cè)與ID仲裁功能。CAN總線是如何保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的，以下介紹CAN總線獨(dú)有的檢測(cè)機(jī)制：位流檢測(cè)和CRC校驗(yàn)；
位流檢測(cè)：即位檢測(cè)，如圖11所示節(jié)點(diǎn)在發(fā)送過程中，同時(shí)會(huì)監(jiān)測(cè)自身發(fā)送的位數(shù)值，假如檢測(cè)到位與自身送出的位數(shù)值不同，則會(huì)提示位錯(cuò)誤；
圖11 位檢測(cè)
CRC校驗(yàn)：即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼是數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其信息字段和校驗(yàn)字段的長度可任意選定；CRC校驗(yàn)過程是通過循環(huán)計(jì)算冗余校驗(yàn)碼的方式實(shí)現(xiàn)的，CAN控制器內(nèi)部CRC的實(shí)現(xiàn)是基于多項(xiàng)式發(fā)生器和一個(gè)15位寄存器；其意義在于保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性，未經(jīng)CRC校驗(yàn)檢測(cè)出的錯(cuò)誤低于10負(fù)九次方。
CANscope總線分析儀是一款綜合性的CAN總線開發(fā)與測(cè)試的專業(yè)工具，集海量存儲(chǔ)示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測(cè)試工具于一身，并把各種儀器有機(jī)的整合和關(guān)聯(lián)，如圖12所示CANscope的軟件界面圖；重新定義CAN總線的開發(fā)測(cè)試方法，可對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊正確性、可靠性、合理性進(jìn)行多角度全方位的評(píng)估；幫助用戶快速定位故障節(jié)點(diǎn)，解決CAN總線應(yīng)用的各種問題，是CAN總線開發(fā)測(cè)試的有效工具。
圖12 CANscope軟件界面
