淺談CAN發(fā)送仲裁機(jī)制

隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，CAN總線已廣泛應(yīng)用于，車(chē)輛、航空、醫(yī)療等高安全要求領(lǐng)域。高頻發(fā)送CAN報(bào)文也成為安全測(cè)試的必要組成部分。在信號(hào)正常的網(wǎng)絡(luò)上高負(fù)載率發(fā)送測(cè)試時(shí)，總線上偶然會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的問(wèn)題，例如出現(xiàn)大量錯(cuò)誤報(bào)文、被測(cè)設(shè)備報(bào)文周期出現(xiàn)異常、甚至總線鎖死等。這個(gè)時(shí)候我們則需要考慮一下CAN網(wǎng)絡(luò)上的仲裁是否發(fā)生了異常。

首先我們來(lái)了解一下CAN總線仲裁機(jī)制。

一、CAN總線仲裁機(jī)制

CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上正在發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)總線空閑時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以發(fā)起自身報(bào)文發(fā)送。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起報(bào)文發(fā)送請(qǐng)求，由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)占用總線就是仲裁機(jī)制的主要用途。

首先CAN總線物理層通常是雙絞線。當(dāng)邏輯“1” 被寫(xiě)進(jìn)總線時(shí)，CANH和CANL的電平都是2.5V，這種狀態(tài)并被定義為“隱性”位;當(dāng)邏輯“0”被寫(xiě)進(jìn)總線時(shí)CANH會(huì)上拉到為5V，CANL被下拉到地0V，這種狀態(tài)被定義為“顯性”位。如果顯性位和隱性位被不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)寫(xiě)進(jìn)總線時(shí)，總線會(huì)表現(xiàn)為“顯性”位。“顯性位覆蓋隱性位”是CAN總線沖突檢測(cè)的基礎(chǔ)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳送它們各自的報(bào)文時(shí)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)寫(xiě)進(jìn)了隱性位而讀回顯性位，節(jié)點(diǎn)會(huì)知道另一個(gè)高優(yōu)先權(quán)節(jié)點(diǎn)正在占用總線，該節(jié)點(diǎn)會(huì)停止傳送報(bào)文并繼續(xù)接收總線報(bào)文。這種技術(shù)叫做“非破壞性逐位”仲裁。

圖1 CAN仲裁機(jī)制

如圖1所示，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，首次出現(xiàn)不同，且發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)占用總線。由于CAN報(bào)文首先發(fā)送的為ID段且顯性位為邏輯“0”，因此ID越小該幀的優(yōu)先級(jí)越高。

二、仲裁場(chǎng)

似乎按照“非破壞性逐位”仲裁機(jī)制，就可以從ID一直仲裁到CRC段，可是CAN傳輸標(biāo)準(zhǔn)并不是這樣， CAN標(biāo)準(zhǔn)要求，仲裁僅從基本ID第一位開(kāi)始，到標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位或擴(kuò)展幀的RTR位結(jié)束。這個(gè)區(qū)域被定義為仲裁場(chǎng)。如圖2所示。

圖2 CAN仲裁場(chǎng)區(qū)域

依據(jù)仲裁場(chǎng)范圍，CAN總線仲裁流程如圖3所示。

圖3 CAN仲裁場(chǎng)區(qū)域

三、仲裁異常的影響

在CAN仲裁機(jī)制中，理論上仲裁必須在仲裁場(chǎng)完成。不過(guò)CAN總線配置錯(cuò)誤或者測(cè)試時(shí)發(fā)送CAN幀疏忽，也存在仲裁場(chǎng)數(shù)據(jù)完全相同的情況，在這樣的情況下會(huì)對(duì)總線造成什么后果呢?下面我們按照CAN通訊原則分析一下仲裁異常時(shí)CAN總線可能出現(xiàn)什么表現(xiàn)。

1、仲裁場(chǎng)后數(shù)據(jù)傳輸不一致

在仲裁場(chǎng)結(jié)束后CAN節(jié)點(diǎn)需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性對(duì)比，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)與讀取回得數(shù)據(jù)不一致，收發(fā)器則需要發(fā)送CAN錯(cuò)誤幀，以通知總線各個(gè)節(jié)點(diǎn)自身發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，停止接收并快速進(jìn)入總線空閑，以便再次數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4 仲裁場(chǎng)后數(shù)據(jù)傳輸不一致

如圖4所示當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的仲裁場(chǎng)相同，在仲裁場(chǎng)后DLC段發(fā)生數(shù)據(jù)不同情況。發(fā)送單元1發(fā)現(xiàn)自己本身需要發(fā)送的隱性電平而收到的是顯性電平，識(shí)別到數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象后立即發(fā)出錯(cuò)誤幀信息(6個(gè)顯性位)。發(fā)送單元1發(fā)送錯(cuò)誤信息過(guò)程中，發(fā)送單元2也將捕獲到自己某個(gè)隱性位發(fā)送與收取的不一致，從而也發(fā)出主動(dòng)錯(cuò)誤幀。最終造成類(lèi)似圖4總線電平特征。

需要注意，大部分CAN收發(fā)器在發(fā)送過(guò)程中因?yàn)闆](méi)有占用到總線或者發(fā)送失敗，會(huì)在下一次總線空閑到來(lái)時(shí)再次占用總線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。因此當(dāng)出現(xiàn)仲裁場(chǎng)數(shù)據(jù)相同，后續(xù)數(shù)據(jù)不同時(shí)，有極大的可能造成總線錯(cuò)誤后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)再次同時(shí)占用總線，再次進(jìn)行仲裁并總線錯(cuò)誤，甚至反復(fù)進(jìn)入錯(cuò)誤造成網(wǎng)絡(luò)鎖死等嚴(yán)重情況。

2、仲裁場(chǎng)后數(shù)據(jù)相同

如果兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，發(fā)送CAN幀完全相同，兩個(gè)發(fā)送單元均認(rèn)為占用了總線，并成功發(fā)送完數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)發(fā)送完成，不過(guò)需要注意CAN節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，是不能夠?qū)ψ约喊l(fā)送的CAN幀進(jìn)行應(yīng)答，這個(gè)時(shí)候則會(huì)出現(xiàn)不同的情況。

a、不存在多余的應(yīng)答節(jié)點(diǎn)

圖5 傳輸數(shù)據(jù)相同無(wú)應(yīng)答

當(dāng)所有的總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)均相同，那么所有節(jié)點(diǎn)認(rèn)為自己成功發(fā)送了數(shù)據(jù)，而等待總線其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)答。此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)闆](méi)有得到應(yīng)答而被CAN節(jié)點(diǎn)識(shí)別為發(fā)送失敗，從而重新占用總線再次發(fā)送。

(注：此現(xiàn)象與應(yīng)用層有很大的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)也可以被識(shí)別為發(fā)送成功而不再重發(fā)。)

b、存在多余應(yīng)答節(jié)點(diǎn)

圖6 傳輸數(shù)據(jù)相同有應(yīng)答

在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送相同數(shù)據(jù)到總線，并存在其他節(jié)點(diǎn)不處于發(fā)送狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)則會(huì)對(duì)總線進(jìn)行應(yīng)答，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為CAN數(shù)據(jù)成功發(fā)送。從而隱藏了這種仲裁異?，F(xiàn)象。

三、仲裁的其他特性與測(cè)試建議

1、CAN總線中的節(jié)點(diǎn)在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請(qǐng)求發(fā)送時(shí)總線被其他節(jié)點(diǎn)占用，一般會(huì)在下一次空閑到來(lái)時(shí)請(qǐng)求發(fā)送，總線負(fù)載率越高，遇到上面的情況概率也就越大，因此仲裁事件的發(fā)生常出現(xiàn)在高負(fù)載率的總線環(huán)境下，如果可以控制總線負(fù)載率在合理范圍內(nèi)，可以大大減少仲裁事件的發(fā)生。

2、每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文時(shí)，顯性電平都存在一定的驅(qū)動(dòng)能力，在仲裁事件發(fā)生時(shí)，由于多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)總線，會(huì)造成CAN總線顯性電平電壓與平時(shí)高一點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)點(diǎn)越多，電壓越高)。同時(shí)由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)同步性可能存在微小的差異，其脈寬也可能發(fā)生改變。

3、當(dāng)需要測(cè)試指定節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用不到總線的表現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該使用高優(yōu)先級(jí)測(cè)試報(bào)文進(jìn)行高負(fù)載率發(fā)送(盡可能達(dá)到100%)。高優(yōu)先級(jí)報(bào)文一直占用總線，低優(yōu)先級(jí)報(bào)文永遠(yuǎn)占用不到總線。當(dāng)需要部分允許部分禁止，應(yīng)設(shè)置測(cè)試報(bào)文優(yōu)先級(jí)在允許報(bào)文與不允許報(bào)文之間。

4、如果需要測(cè)試指定節(jié)點(diǎn)高負(fù)載率情況下報(bào)文周期特性，發(fā)送的報(bào)文優(yōu)先級(jí)不能高于被測(cè)節(jié)點(diǎn)周期特性報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。如果被測(cè)節(jié)點(diǎn)滿足周期性，周期到來(lái)后的第一個(gè)空閑后報(bào)文發(fā)送就可以仲裁成功將該周期報(bào)文成功發(fā)送。

5、在某些CAN高層總線協(xié)議中，存在可變優(yōu)先級(jí)字段，(依據(jù)請(qǐng)求發(fā)送等待時(shí)間變化優(yōu)先級(jí))。如果需要驗(yàn)證報(bào)文優(yōu)先級(jí)變化特性，所發(fā)送的報(bào)文優(yōu)先級(jí)，需要使用高于初次請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，低于最高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。

CAN總線中，無(wú)論節(jié)點(diǎn)還是測(cè)試設(shè)備發(fā)送報(bào)文仲裁場(chǎng)應(yīng)該不同，這樣可以避免因仲裁異常造成的錯(cuò)誤出現(xiàn)。同樣在CAN測(cè)試時(shí)，應(yīng)依據(jù)測(cè)試目的選擇合理的CAN報(bào)文ID，避免仲裁特性影響測(cè)試效果。