CAN總線“錯誤”不在可怕
CAN總線是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、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LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，CAN總線應(yīng)運而生，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同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(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)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強而有力的技術(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總線的錯誤幀，下面將為大家展現(xiàn)CANscope波形常見的幾類錯誤，圖3為干擾導(dǎo)致的CAN通訊錯誤。
圖3 錯誤波形圖
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)點識別失敗的錯誤。
圖4 錯誤波形圖
圖5為總線支線過長，電平下降沿臺階過高，導(dǎo)致位寬度失調(diào)的錯誤。
圖5 錯誤波形圖
圖6為卡車打開/關(guān)閉大燈時，耦合到CAN總線上的干擾，導(dǎo)致的錯誤。
圖6 錯誤波形圖
圖7為波特率異常（位寬度從2us突然變成1.6us），導(dǎo)致位錯誤。
圖7 錯誤波形圖
CAN總線的錯誤都有哪些形式，相互之間有什么樣的關(guān)系，以及總線的檢測與校驗的原理是什么？
CAN總線的錯誤幀可分為位錯誤、位填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤、應(yīng)答錯誤五大類，每類錯誤的具體解釋如圖8所示，此圖簡潔明了的展現(xiàn)了各種錯誤。
CAN總線的錯誤幀可分為位錯誤、位填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤、應(yīng)答錯誤五大類，每類錯誤的具體解釋如圖8所示，此圖簡潔明了的展現(xiàn)了各種錯誤。
圖8 錯誤波形圖
CAN報文傳輸過程中出現(xiàn)通訊錯誤，會發(fā)送錯誤幀，以上所述的錯誤幀類型中根據(jù)其錯誤標識符不同，可分為“主動錯誤”和“被動錯誤”。
主動錯誤：檢測錯誤主動報錯，發(fā)出錯誤標識符（連續(xù)6個顯性位）和錯誤界定符（連續(xù)8個隱形位）；目的在于“主動”通知錯誤，即使別的節(jié)點沒有發(fā)現(xiàn)此錯誤；
被動錯誤：檢測錯誤，被動等待其他節(jié)點報錯后發(fā)送錯誤標識符（連續(xù)6個隱形位）和錯誤標識符（連續(xù)8個隱形位）；目的在于識別錯誤，回應(yīng)主動錯誤；
總線關(guān)閉：節(jié)點不參與總線通訊；
為了避免某個設(shè)備因為自身原因（例如硬件損壞）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)點通訊，CAN-bus規(guī)范中規(guī)定每個CAN控制器都有一個發(fā)送錯誤計數(shù)器和一個接收錯誤計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)值不同CAN節(jié)點會處于不同的設(shè)備狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖9所示：
圖9 錯誤轉(zhuǎn)換圖
接收、發(fā)送錯誤計數(shù)器對應(yīng)的變動條件及數(shù)值變動情況：
(1)接收單元檢測出錯誤時，檢測到錯誤標識符或過載標志的“位錯誤”除外，此時REC+1、TEC不變；
(2)接收單元在發(fā)送完錯誤標志后檢測到第一位為顯性電平，此時REC+8、TEC不變；
(3)發(fā)送單元輸出錯誤標志，此時REC不變、TEC+8；
(4)發(fā)送單元發(fā)送主動錯誤標志或過載標志，檢測出位錯誤，REC不變、TEC+8；
(5) 接收單元發(fā)送主動錯誤標志或過載標志，檢測出位錯誤，REC+8、TEC不變；
(6)各單元從主動錯誤標志、過載標志的開始檢測出連續(xù)14個顯性位，之后每檢測出連續(xù)8個顯性位，發(fā)送時REC+8、接收時TEC+8；
(7)檢測出被動錯誤標志后追加連續(xù)8個位的顯性位，發(fā)送時REC+8、接收時TEC+8；
(8) 發(fā)送單元正常接收數(shù)據(jù)結(jié)束時（返回ACK且到幀結(jié)束位檢測到錯誤），REC不變、TEC-1；
(9) 接收單元正常接收數(shù)據(jù)結(jié)束時（到CRC未檢測出錯誤且正常返回ACK），REC<127時，rec-1，rec>127時，REC=127；TEC不變；
(10)處于總線關(guān)閉的單元，檢測到128次連續(xù)11個位的隱形位，錯誤計數(shù)器歸零，REC、TEC=0；
CAN總線錯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，其中詳細介紹與錯誤處理有關(guān)的部分：位流處理器、位邏輯控制、錯誤管理邏輯。
(11)位流處理器（BSP）是一個控制發(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)行總線上的錯誤檢測、仲載、總線填充和錯誤處理。
(12)位時序邏輯（BTL）監(jiān)視串行的CAN總線和位時序，它在信息開頭“弱勢支配”的總線傳輸時，同步 CAN總線位流（硬同步），接收報文時再次同步下一次傳送（軟同步）。
(13) 錯誤管理邏輯（EML）負責限制傳輸層模塊的錯誤，它接收來自位流處理器的出錯報告，然后把有關(guān)錯誤統(tǒng)計告訴位流處理器和接口管理邏輯（IML）。
圖10 CAN控制器
CAN控制器的信號從CAN收發(fā)器的TXD發(fā)送到總線，同時被RXD收回進行檢測，以此達到實時的接收錯誤檢測、發(fā)送錯誤檢測與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總線獨有的檢測機制：位流檢測和CRC校驗；
位流檢測：即位檢測，如圖11所示節(jié)點在發(fā)送過程中，同時會監(jiān)測自身發(fā)送的位數(shù)值，假如檢測到位與自身送出的位數(shù)值不同，則會提示位錯誤；
圖11 位檢測
CRC校驗：即循環(huán)冗余校驗碼是數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼，其信息字段和校驗字段的長度可任意選定；CRC校驗過程是通過循環(huán)計算冗余校驗碼的方式實現(xiàn)的，CAN控制器內(nèi)部CRC的實現(xiàn)是基于多項式發(fā)生器和一個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校驗檢測出的錯誤低于10負九次方。
CANscope總線分析儀是一款綜合性的CAN總線開發(fā)與測試的專業(yè)工具，集海量存儲示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤碼率分析儀、協(xié)議分析儀及可靠性測試工具于一身，并把各種儀器有機的整合和關(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)測試方法，可對CAN網(wǎng)絡(luò)通訊正確性、可靠性、合理性進行多角度全方位的評估；幫助用戶快速定位故障節(jié)點，解決CAN總線應(yīng)用的各種問題，是CAN總線開發(fā)測試的有效工具。
圖12 CANscope軟件界面
