基于CAN總線通信的CRC校驗方法的研究

你了解CAN總線嗎?你知道總線中有哪些錯誤嗎?你想了解總線中的錯誤是如何校驗以及錯誤之間的關(guān)系嗎?下文為大家揭開它神秘的面紗。

數(shù)據(jù)校驗是為保證數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行的一種驗證操作。CAN通信采用CRC校驗作為一種重要的錯誤檢測手段，是節(jié)點判斷CAN幀信息的完整性并產(chǎn)生確認(rèn)應(yīng)答的依據(jù)。

在現(xiàn)場總線通信和控制的實際應(yīng)用中，工業(yè)應(yīng)用環(huán)境往往是極端的溫度以及電磁噪聲或是其他的惡劣環(huán)境，系統(tǒng)在這種條件下能否正常工作至關(guān)重要，試想一下倘若生產(chǎn)線設(shè)備發(fā)送的位置信息在傳輸過程出現(xiàn)了錯誤，輕則可能造成生產(chǎn)癱瘓，重則可能導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人員傷害。

在CAN總線通信過程中CAN控制器具備完整的錯誤檢測能力，其中包含：位錯誤檢測、格式錯誤檢測、填充錯誤檢測、應(yīng)答錯誤檢測和CRC錯誤檢測。作為一種重要的錯誤檢測手段，CRC錯誤檢測是接收節(jié)點判斷CAN幀信息的完整性并向總線確認(rèn)應(yīng)答的依據(jù)。

常見的校驗方法

1、最簡單的校驗是數(shù)據(jù)發(fā)送后進(jìn)行主動回讀，結(jié)果一致才確認(rèn)傳輸成功，很顯然這種傳輸溝通的方式很直觀并非常精準(zhǔn)，但是由于回讀的操作使得數(shù)據(jù)傳輸量翻倍，也就是傳輸對帶寬要求高且效率低下。

2、奇偶校驗，就是傳輸中使用額外1個位來記錄傳輸數(shù)據(jù)二進(jìn)制數(shù)中1的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，這個方案適合絕大多數(shù)硬件，傳輸開銷適中，因此被廣泛使用，例如常見的串口通信。

3、累加和校驗，該算法原理是對數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行累加后得到一個數(shù)值，接收方在接收數(shù)據(jù)同時也進(jìn)行數(shù)據(jù)的累加并最終與發(fā)送過來的累加和進(jìn)行比較，該算法計算簡單，無論在硬件或是軟件實現(xiàn)都能保證較高的效率，常用于低速串行數(shù)據(jù)通信校驗和芯片代碼的完整性判斷。

4、CRC檢驗，該算法是基于一個多項式除法取余的結(jié)果，其根據(jù)位數(shù)需求和多項式變化有數(shù)十種版本，憑借其硬件實現(xiàn)簡單，位反轉(zhuǎn)偵錯能力較強及運算開銷適中的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸以及數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，如磁盤數(shù)據(jù)校驗、USB、GSM/CDMA通信，在計算機應(yīng)用中經(jīng)常接觸到的RAR和ZIP文件的壓縮/解壓數(shù)據(jù)完整性檢查也采用了該算法。

5、MD5、SHA為代表的信息摘要校驗，數(shù)據(jù)摘要算法也被稱為哈希(Hash)算法、散列算法，摘要算法用于數(shù)據(jù)量比較大的場合。它通過對所有數(shù)據(jù)提取指紋信息以實現(xiàn)數(shù)據(jù)簽名、數(shù)據(jù)完整性校驗等功能，由于其不可逆性，有時候會被用做敏感信息的加密，如軟件注冊授權(quán)文件的內(nèi)容保護，還有經(jīng)常遇到的互聯(lián)網(wǎng)下載大文件(例如大小到GB級別的ISO鏡像)通常會帶有MD5、SHA1等信息方便用戶檢查傳輸數(shù)據(jù)的完整性。

CAN幀中的CRC檢驗

1、CRC域在CAN幀中的位置

如圖1橙色塊方框所示，一個傳統(tǒng)CAN幀結(jié)構(gòu)中，CRC域放置在數(shù)據(jù)結(jié)束后應(yīng)答檢測之前，對于CAN FD也是相同的位置，該信息對于用戶應(yīng)用界面來說是不可見的，可以通過CANscope總線分析儀解碼窗口或者帶有CAN協(xié)議解碼能力的示波器從總線模擬波形上得到對應(yīng)的CRC數(shù)據(jù)展示，見圖2。

2、CRC的在CAN幀中的生成

在經(jīng)典CAN中，使用15位CRC，在硬件可使用移位和異或運算完成CRC的計算，而CAN FD規(guī)范中對幀數(shù)據(jù)長度進(jìn)行了擴展，對于數(shù)據(jù)長度小于等于16字節(jié)的CAN FD幀，采用17位CRC，對于數(shù)據(jù)長度大于16字節(jié)的CAN FD幀采用21位CRC。CAN總線中使用的若干版本CRC生成多項式g整理如表1所示。

3、CRC是如何完成校驗工作的

CAN幀基于CRC多項式的安全校驗是發(fā)送器根據(jù)發(fā)送的比特計算校驗值，并在CAN幀結(jié)構(gòu)CRC字段中提供該結(jié)果。接收器使用相同的多項式來計算總線上所見位的校驗值，將自我計算的校驗值與接收的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果匹配，則認(rèn)為幀被正確接收，接收節(jié)點在ACK時隙位中發(fā)送顯性狀態(tài)，從而覆蓋發(fā)送器的隱性狀態(tài)。在不匹配的情況下，接收節(jié)點在ACK定界符之后發(fā)送錯誤幀。

目前CAN FD的控制器CRC校驗實現(xiàn)過程會相對復(fù)雜一點，在一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，幀起始被檢測到后所有的節(jié)點開始使用三組多項式g15、g17和g21同步計算CRC序列，其中也包含發(fā)送節(jié)點，由于CRC的計算受CAN幀類型和DLC長度影響，直到CAN幀的控制域以及DLC確認(rèn)后才選擇采用對應(yīng)的CRC生成序列，確定的CRC序列會在幀結(jié)構(gòu)中CRC字段被采納用于發(fā)送或者用于接收比較。

4、有關(guān)CRC的ISO CAN FD、non-ISO CAN FD兼容性問題

當(dāng)前CAN FD協(xié)議有兩個版本，為提高故障(錯誤)檢測能力，新版本特別引入了一個3位填充位計數(shù)器和一個額外的奇偶校驗位。此外，CRC計算方法也發(fā)生了變化。這些改進(jìn)使最新的CAN FD協(xié)議與博世(BOSCH)開發(fā)的原始CAN FD協(xié)議不兼容。負(fù)責(zé)ISO的工作組已完成其文件，并已將其提交給DIS(國際標(biāo)準(zhǔn)草案)在進(jìn)行投票程序。

為了避免誤解，CiA建議使用術(shù)語“ISO CAN FD”和“non-ISO CAN FD”。所有符合ISO 11898-2:2015的產(chǎn)品都應(yīng)稱為“ISO CAN FD”。執(zhí)行博世(BOSCH)原始CAN FD協(xié)議的產(chǎn)品應(yīng)命名為“non-ISO CAN FD”，在這個過度階段的產(chǎn)品主要目的是用于前期評估和開發(fā)，將來所有產(chǎn)品都將符合ISO標(biāo)準(zhǔn)。

請注意，早前一些供應(yīng)商提供的組件或者工具是針對non-ISO CAN FD協(xié)議的，包括目前在售的部分CAN FD產(chǎn)品，CiA建議僅使用ISO CAN FD產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，不過你可繼續(xù)使用non-ISO CAN FD做評估和前期開發(fā)，因為協(xié)議的改變對于用戶界面是不可見，但注意的是不能同一個網(wǎng)絡(luò)混用non-ISO CAN FD和ISO CAN FD接口設(shè)備，這樣會造成CAN總線錯誤無法完成發(fā)送和接收，如果僅僅是發(fā)送或接收傳統(tǒng)的CAN幀將不會受到任何影響，幸運的是部分設(shè)備供應(yīng)商提供的組件或者工具允許用戶選擇支持ISO或者non-ISO模式，這樣能很好地在過渡時期幫助你完成工作。

總結(jié)

傳統(tǒng)CAN以及目前CAN FD采取的校驗機制，保證傳輸過程中遭受破壞的幀數(shù)據(jù)幾乎不會被接收以及應(yīng)答成功，能有效防止物理層傳輸錯誤，讓用戶界面不需要額外關(guān)注幀傳輸數(shù)據(jù)的正確性。