【原理解析】一文讀懂CAN節(jié)點(diǎn)錯誤管理機(jī)制

時間：2021-10-20 16:12:35

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[導(dǎo)讀]CAN節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性得益于其強(qiáng)大的錯誤管理機(jī)制。那么，CAN節(jié)點(diǎn)為什么能感知錯誤？又是如何響應(yīng)錯誤？您是否能清晰地想象出這一過程？本文將為大家詳細(xì)分析CAN節(jié)點(diǎn)錯誤管理的工作過程。??節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成如圖1所示，MCU作為主控制器，完成CAN控制器和功能電路的控制。?圖...

CAN 節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性得益于其強(qiáng)大的錯誤管理機(jī)制。那么，CAN節(jié)點(diǎn)為什么能感知錯誤？又是如何響應(yīng)錯誤？您是否能清晰地想象出這一過程？本文將為大家詳細(xì)分析CAN節(jié)點(diǎn)錯誤管理的工作過程。

節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成

如圖1所示，MCU作為主控制器，完成CAN控制器和功能電路的控制。

圖1 CAN節(jié)點(diǎn)組成框圖

CAN控制器是工作于數(shù)據(jù)鏈路層的器件，集成了CAN規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，其功能由軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn)，從設(shè)備供應(yīng)商買回來的CAN控制器已經(jīng)把相應(yīng)的邏輯固化在其硅片之中；MCU是工作于應(yīng)用層的器件，其功能由軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn)，MCU運(yùn)行的程序可由設(shè)計(jì)者靈活設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)的特定功能；CAN收發(fā)器工作于物理層，其功能完全由硬件實(shí)現(xiàn)，其作用是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)化為CAN總線的模擬差分信號，以及把總線模擬差分信號轉(zhuǎn)換成CAN控制器的邏輯電平。

CAN節(jié)點(diǎn)的錯誤管理屬于CAN通信規(guī)范數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，具體來說，錯誤管理是通過MCU和CAN控制器來實(shí)施的?？梢哉f，CAN控制器是錯誤管理的基礎(chǔ)設(shè)施，我們可以從兩個方面理解其工作邏輯：一是如何感知錯誤，二是如何響應(yīng)錯誤。注：

1、本文所說的CAN規(guī)范指的是德國BOSCH公司的《CAN Specification Version 2.0》。

節(jié)點(diǎn)如何感知錯誤？

如前文所述，節(jié)點(diǎn)對總線錯誤的識別是通過CAN控制器來完成的。CAN控制器輸出給收發(fā)器發(fā)送引腳TX的邏輯信號位會從收發(fā)器接收引腳RX接收，這使得CAN控制器可以在發(fā)送一個邏輯位期間同時監(jiān)測總線的實(shí)際電平值。CAN控制器檢測總線錯誤原理如圖2所示：

圖2 監(jiān)測總線錯誤原理圖

如圖2描述，CAN控制器監(jiān)測一個總線電平的電平值是在采樣點(diǎn)位置進(jìn)行的，判斷是否出現(xiàn)錯誤是在信息處理時間內(nèi)完成的。

綜上所述，CAN控制器對錯誤的識別可概括為：無論是作為發(fā)送器還是接收器，在采樣點(diǎn)位置成功監(jiān)測到當(dāng)前總線的實(shí)際電平值后，CAN控制器便按照CAN規(guī)范中描述的錯誤管理規(guī)則判斷是否出現(xiàn)錯誤。

CAN通信過程中的錯誤類型包括5種，分別是：位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、幀格式錯誤、應(yīng)答錯誤。接下來分別對5種錯誤的檢測識別過程進(jìn)行解析。

1、位錯誤位錯誤是由作為發(fā)送器的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文期間進(jìn)行檢測識別的。CAN控制器的程序邏輯發(fā)送的電平與監(jiān)測到總線的實(shí)際信號不一致即在此位期間檢測到位錯誤。

例外情況，在仲裁場或應(yīng)答間隙期間發(fā)送一“隱性”位卻監(jiān)視到一“顯性”位，以及當(dāng)發(fā)送器發(fā)送一個被動錯誤標(biāo)志但檢測到“顯性”位時，均也不被視為位錯誤，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。

2、填充錯誤在CAN幀的位場中，幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場以及CRC序列，均通過位填充的方法編碼。無論何時，發(fā)送器只要檢測到這些位場對應(yīng)位流里有5個連續(xù)相同值的位，便自動在接著的下一位插入一個補(bǔ)碼位。CAN控制器在監(jiān)測總線電平值的同時對連續(xù)相同的位電平值會進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果在使用位填充法進(jìn)行編碼的信息中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平值時，便檢測到一個填充錯誤。

3、CRC錯誤CRC錯誤是由作為接收器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測識別的。CRC序列共15位（不包含填充位），其內(nèi)容由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場(如果有)的無填充位流計(jì)算而來。

CRC序列計(jì)算使用CAN規(guī)范規(guī)定的方法。作為發(fā)送器的節(jié)點(diǎn)發(fā)送CAN報(bào)文時CRC序列由規(guī)定的計(jì)算方法確定，作為接收器的節(jié)點(diǎn)從總線上接收完數(shù)據(jù)場最后一個數(shù)據(jù)位（沒有數(shù)據(jù)場時是接收完控制場的最后一個位）后，如果接下來接收到實(shí)際的CRC序列與接收器的計(jì)算結(jié)果不一致，便檢測到CRC錯誤。

4、格式錯誤節(jié)點(diǎn)無論是作為發(fā)送器的還是作為接收器均可在監(jiān)測報(bào)文期間檢測識別格式錯誤。由于CAN通信嚴(yán)格按照CAN規(guī)范定義的幀格式進(jìn)行報(bào)文封裝傳輸，CAN控制器在監(jiān)測總線電平位時明確知道當(dāng)前位、后續(xù)位屬于幀格式中哪個位場，以及屬于位場的第幾個位，當(dāng)接收到一個屬于幀格式固定形式的位時，如果實(shí)際電平值與幀格式定義不一致，則檢測到一個格式錯誤。

例外情況，對于接收器來說，幀結(jié)束最后的位被置于“不重要”狀態(tài)，監(jiān)測到的幀結(jié)束最后一位期間的顯性位不被當(dāng)作幀錯誤。

5、應(yīng)答錯誤應(yīng)答錯誤是由作為發(fā)送器的節(jié)點(diǎn)檢測識別的。在發(fā)送報(bào)文時，只要在發(fā)送應(yīng)答間隙（隱性）期間所監(jiān)測到的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤。注：

1、上述5種錯誤不會相互排斥，也就是說CAN幀中的某個錯誤有可能同屬一種以上的錯誤類型。

2、如上所述，作為發(fā)送器或接收器的不同角色時，直接能檢測到的錯誤類型是不一樣的。

節(jié)點(diǎn)如何響應(yīng)錯誤？

CAN規(guī)范中規(guī)定每個CAN控制器中實(shí)現(xiàn)一個發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器和一個接收錯誤計(jì)數(shù)器。根據(jù)計(jì)數(shù)值不同，節(jié)點(diǎn)會處于不同的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并根據(jù)計(jì)數(shù)值的變化進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)CAN控制器檢測到總線錯誤后通過發(fā)送錯誤標(biāo)志指示錯誤。對于“錯誤主動”的節(jié)點(diǎn)，錯誤標(biāo)志表現(xiàn)為“主動錯誤標(biāo)志”，對于“錯誤被動”的節(jié)點(diǎn)，錯誤標(biāo)志表現(xiàn)為“被動錯誤標(biāo)志”。

無論檢測到位錯誤、填充錯誤、幀格式錯誤、還是應(yīng)答錯誤，CAN控制器會在緊鄰的下一位發(fā)送錯誤標(biāo)志。如果檢測到的錯誤類型是CRC錯誤，錯誤標(biāo)志的發(fā)送開始于ACK定界符之后的位，即幀結(jié)尾。

綜上所述，CAN控制器對錯誤的響應(yīng)可概括為：根據(jù)當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)在位流序列相應(yīng)的位置用錯誤標(biāo)志標(biāo)示錯誤，并按照CAN規(guī)范更新錯誤計(jì)數(shù)值，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。并且是每成功監(jiān)測到一次錯誤便進(jìn)行一次響應(yīng)。注：

1、由于篇幅有限，關(guān)于錯誤計(jì)數(shù)的詳細(xì)規(guī)則、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及錯誤幀格式等細(xì)節(jié)均不在本文進(jìn)行討論，請讀者查閱CAN協(xié)議規(guī)范。

2、上述分析可知道，錯誤響應(yīng)的關(guān)鍵要素包括錯誤標(biāo)志的類型和響應(yīng)的位置。

錯誤管理機(jī)制的作用

錯誤管理機(jī)制的作用主要體現(xiàn)在對錯誤的響應(yīng)過程。作為發(fā)送器發(fā)送錯誤標(biāo)志時，無論“主動錯誤”還是“被動錯誤”都必然包括6個連續(xù)同極性的位，使其他節(jié)點(diǎn)也識別到總線錯誤，進(jìn)而使所有節(jié)點(diǎn)都能丟棄當(dāng)前出錯的幀。

作為接收器發(fā)送錯誤標(biāo)志時，“主動錯誤”標(biāo)志使其他節(jié)點(diǎn)也識別到總線錯誤從而使所有節(jié)點(diǎn)（包括作為發(fā)送器的節(jié)點(diǎn)）都能丟棄當(dāng)前出錯的幀；“被動錯誤”標(biāo)志不影響總線通信從而使其他節(jié)點(diǎn)都能成功接收當(dāng)前幀，處于“被動錯誤”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)屬于“不可信”狀態(tài)，其檢測到錯誤僅是自己丟棄當(dāng)前幀，這也是錯誤管理的靈活性所在，即錯誤響應(yīng)并不是嚴(yán)格在任何情況下都使所有節(jié)點(diǎn)丟棄同一幀報(bào)文。

綜上所述，錯誤管理機(jī)制可以使所有的節(jié)點(diǎn)同時接收或丟棄總線的同一幀報(bào)文，又可以使作為接收器的被動錯誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)僅自己丟棄當(dāng)前報(bào)文而不影響其他節(jié)點(diǎn)。因此，錯誤管理是實(shí)現(xiàn)CAN通信數(shù)據(jù)一致性的機(jī)制之一。

總結(jié)

CAN節(jié)點(diǎn)錯誤管理功能是由CAN節(jié)點(diǎn)組成中的CAN控制器負(fù)責(zé)的，對錯誤管理的工作過程可以從“錯誤識別”和“錯誤響應(yīng)”兩個方面進(jìn)行理解。錯誤管理是實(shí)現(xiàn)CAN通信數(shù)據(jù)的一致性的機(jī)制之一。

ZPS-CANFD是致遠(yuǎn)電子總線分析儀第二代CAN總線開發(fā)輔助工具，適用于CANFD、CAN、LIN總線的測量及測試儀器，支持總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，高層協(xié)議解析及診斷，能對CANFD、CAN總線物理層電氣信號實(shí)時采集和記錄，并附帶有高速模擬通道、通用數(shù)字IO及模擬IO，通過提供的硬件接口及軟件功能，用戶能夠便捷地構(gòu)建總線信號測量與分析、節(jié)點(diǎn)功能仿真及測試、網(wǎng)絡(luò)可靠性診斷及評估的自動化系統(tǒng)。ZPS-CANFD可實(shí)現(xiàn)CAN/CANFD報(bào)文和波形的同步監(jiān)測，可以直觀的定位排查節(jié)點(diǎn)錯誤問題，以及更高效的錯誤干擾等模擬測試。

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