【電動汽車資源網EV江湖 ZLG緻遠電子】CAN總線是ISO國際标準化的串行通信協議。在汽車産業中,出于對安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同,由多條總線構成的情況很多,線束的數量也随之增加。為适應“減少線束的數量”、“通過多個LAN,進行大量數據的高速通信”的需要,CAN總線應運而生,圖1為CAN總線在汽車中的應用圖。

圖1 汽車中CAN總線的應用

CAN的高性能和可靠性已被認同,并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。圖2為CAN總線網路圖,它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強而有力的技術支持。

圖2 CAN總線網路圖

CAN總線作為可靠性非常高的總線,出錯概率非常小,這也是它被廣泛應用的原因之一。在CAN總線的實際研發中,相較于CAN總線的正确幀,工程師更關注CAN總線的錯誤幀,下面将為大家展現CANscope波形常見的幾類錯誤,圖3為幹擾導緻的CAN通訊錯誤。

圖3 錯誤波形圖

圖4為終端電阻并聯過多,差分電平幅值太小導緻接收節點識别失敗的錯誤。

圖4 錯誤波形圖

圖5為總線支線過長,電平下降沿台階過高,導緻位寬度失調的錯誤。

圖5 錯誤波形圖

圖6為卡車打開/關閉大燈時,耦合到CAN總線上的幹擾,導緻的錯誤。

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),導緻位錯誤。

圖7 錯誤波形圖

CAN總線的錯誤都有哪些形式,相互之間有什麼樣的關系,以及總線的檢測與校驗的原理是什麼?

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了各種錯誤。

圖8 CAN總線錯誤類型

CAN報文傳輸過程中出現通訊錯誤,會發送錯誤幀,以上所述的錯誤幀類型中根據其錯誤标識符不同,可分為“主動錯誤”和“被動錯誤”。

主動錯誤:檢測錯誤主動報錯,發出錯誤标識符(連續6個顯性位)和錯誤界定符(連續8個隐形位);目的在于“主動”通知錯誤,即使别的節點沒有發現此錯誤;

被動錯誤:檢測錯誤,被動等待其他節點報錯後發送錯誤标識符(連續6個隐形位)和錯誤标識符(連續8個隐形位);目的在于識别錯誤,回應主動錯誤;

總線關閉:節點不參與總線通訊;

為了避免某個設備因為自身原因(例如硬件損壞)導緻無法正常收發數據而不斷地破壞數據幀,從而影響其他正常節點通訊,CAN-bus規範中規定每個CAN控制器都有一個發送錯誤計數器和一個接收錯誤計數器。根據計數值不同CAN節點會處于不同的設備狀态,狀态之間的轉換關系如圖9所示:

圖9 錯誤轉換圖

接收、發送錯誤計數器對應的變動條件及數值變動情況:

● 接收單元檢測出錯誤時,檢測到錯誤标識符或過載标志的“位錯誤”除外,此時REC 1、TEC不變;

● 接收單元在發送完錯誤标志後檢測到第一位為顯性電平,此時REC 8、TEC不變;

●發送單元輸出錯誤标志,此時REC不變、TEC 8;

●發送單元發送主動錯誤标志或過載标志,檢測出位錯誤,REC不變、TEC 8;

●接收單元發送主動錯誤标志或過載标志,檢測出位錯誤,REC 8、TEC不變;

●各單元從主動錯誤标志、過載标志的開始檢測出連續14個顯性位,之後每檢測出連續8個顯性位,發送時REC 8、接收時TEC 8;

●檢測出被動錯誤标志後追加連續8個位的顯性位,發送時REC 8、接收時TEC 8;

●發送單元正常接收數據結束時(返回ACK且到幀結束位檢測到錯誤),REC不變、TEC-1;

●接收單元正常接收數據結束時(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;

●處于總線關閉的單元,檢測到128次連續11個位的隐形位,錯誤計數器歸零,REC、TEC=0;

CAN總線錯誤處理功能屬于是鍊路層功能,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的部分:位流處理器、位邏輯控制、錯誤管理邏輯。

●位流處理器(BSP)是一個控制發送緩沖器、接收FIFO和CAN總線之間數據流的程序裝置,它還執行總線上的錯誤檢測、仲載、總線填充和錯誤處理。

●位時序邏輯(BTL)監視串行的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)。

●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,然後把有關錯誤統計告訴位流處理器和接口管理邏輯(IML)。

圖10 CAN控制器

CAN控制器的信号從CAN收發器的TXD發送到總線,同時被RXD收回進行檢測,以此達到實時的接收錯誤檢測、發送錯誤檢測與ID仲裁功能。CAN總線是如何保證數據傳輸可靠性的,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所示節點在發送過程中,同時會監測自身發送的位數值,假如檢測到位與自身送出的位數值不同,則會提示位錯誤;

圖11 位檢測

CRC校驗:即循環冗餘校驗碼是數據通訊領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計算冗餘校驗碼的方式實現的,CAN控制器内部CRC的實現是基于多項式發生器和一個15位寄存器;其意義在于保證傳輸數據的正确性,未經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總線開發與測試的專業工具,集海量存儲示波器、網絡分析儀、誤碼率分析儀、協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聯,如圖12所示CANscope的軟件界面圖;重新定義CAN總線的開發測試方法,可對CAN網絡通訊正确性、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點,解決CAN總線應用的各種問題,是CAN總線開發測試的終極工具。

圖12 CANscope軟件界面

(來源:電動汽車資源網EV江湖 ZLG緻遠電子)

本文由電動汽車資源網【EV江湖】作者撰寫,觀點僅代表個人,不代表電動汽車資源網。

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