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淺談CAN發(fā)送仲裁機制

發(fā)布時間:2019-04-04 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】CAN總線高負載率發(fā)送測試時,如果出現(xiàn)大量錯誤報文、被測設(shè)備報文周期出現(xiàn)異常、甚至總線鎖死等,有很大可能是CAN網(wǎng)絡(luò)上的仲裁發(fā)生了異常。
 
隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展,CAN總線已廣泛應(yīng)用于,車輛、航空、醫(yī)療等高安全要求領(lǐng)域。高頻發(fā)送CAN報文也成為安全測試的必要組成部分。在信號正常的網(wǎng)絡(luò)上高負載率發(fā)送測試時,總線上偶然會出現(xiàn)許多意想不到的問題,例如出現(xiàn)大量錯誤報文、被測設(shè)備報文周期出現(xiàn)異常、甚至總線鎖死等。這個時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。
 
首先我們來了解一下CAN總線仲裁機制。
 
1 CAN總線仲裁機制
 
CAN總線作為現(xiàn)場總線,每個節(jié)點可以同時偵測到網(wǎng)絡(luò)上正在發(fā)送的數(shù)據(jù),當(dāng)總線空閑時每個節(jié)點均可以發(fā)起自身報文發(fā)送。如果多個節(jié)點同時發(fā)起報文發(fā)送請求,由哪個節(jié)點占用總線就是仲裁機制的主要用途。
 
首先CAN總線物理層通常是雙絞線。當(dāng)邏輯“1” 被寫進總線時,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”被寫進總線時CANH會上拉到為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)點同時寫進總線時,總線會表現(xiàn)為“顯性”位。“顯性位覆蓋隱性位”是CAN總線沖突檢測的基礎(chǔ)。
 
當(dāng)節(jié)點開始傳送它們各自的報文時,如果一個節(jié)點寫進了隱性位而讀回顯性位,節(jié)點會知道另一個高優(yōu)先權(quán)節(jié)點正在占用總線,該節(jié)點會停止傳送報文并繼續(xù)接收總線報文。這種技術(shù)叫做“非破壞性逐位”仲裁。
 
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖1 CAN仲裁機制 
 
如圖1所示,在多個節(jié)點同時發(fā)送報文時,首次出現(xiàn)不同,且發(fā)送顯性位的節(jié)點占用總線。由于CAN報文首先發(fā)送的為ID段且顯性位為邏輯“0”,因此ID越小該幀的優(yōu)先級越高。
 
2 仲裁場
 
似乎按照“非破壞性逐位”仲裁機制,就可以從ID一直仲裁到CRC段,可是CAN傳輸標準并不是這樣, CAN標準要求,仲裁僅從基本ID第一位開始,到標準幀的IDE位或擴展幀的RTR位結(jié)束。這個區(qū)域被定義為仲裁場。如圖2所示。
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖2 CAN仲裁場區(qū)域
 
依據(jù)仲裁場范圍,CAN總線仲裁流程如圖3所示。
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖3 CAN仲裁場區(qū)域
 
3 仲裁異常的影響
 
在CAN仲裁機制中,理論上仲裁必須在仲裁場完成。不過CAN總線配置錯誤或者測試時發(fā)送CAN幀疏忽,也存在仲裁場數(shù)據(jù)完全相同的情況,在這樣的情況下會對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CAN總線可能出現(xiàn)什么表現(xiàn)。
 
1、仲裁場后數(shù)據(jù)傳輸不一致
 
在仲裁場結(jié)束后CAN節(jié)點需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行一致性對比,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錯誤幀,以通知總線各個節(jié)點自身發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤,停止接收并快速進入總線空閑,以便再次數(shù)據(jù)發(fā)送。
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖4 仲裁場后數(shù)據(jù)傳輸不一致
 
如圖4所示當(dāng)兩個節(jié)點發(fā)送的仲裁場相同,在仲裁場后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,識別到數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象后立即發(fā)出錯誤幀信息(6個顯性位)。發(fā)送單元1發(fā)送錯誤信息過程中,發(fā)送單元2也將捕獲到自己某個隱性位發(fā)送與收取的不一致,從而也發(fā)出主動錯誤幀。最終造成類似圖4總線電平特征。
 
需要注意,大部分CAN收發(fā)器在發(fā)送過程中因為沒有占用到總線或者發(fā)送失敗,會在下一次總線空閑到來時再次占用總線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。因此當(dāng)出現(xiàn)仲裁場數(shù)據(jù)相同,后續(xù)數(shù)據(jù)不同時,有極大的可能造成總線錯誤后兩個節(jié)點再次同時占用總線,再次進行仲裁并總線錯誤,甚至反復(fù)進入錯誤造成網(wǎng)絡(luò)鎖死等嚴重情況。
 
2、仲裁場后數(shù)據(jù)相同
 
如果兩個CAN節(jié)點,發(fā)送CAN幀完全相同,兩個發(fā)送單元均認為占用了總線,并成功發(fā)送完數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)發(fā)送完成,不過需要注意CAN節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時,是不能夠?qū)ψ约喊l(fā)送的CAN幀進行應(yīng)答,這個時候則會出現(xiàn)不同的情況。
 
不存在多余的應(yīng)答節(jié)點
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖5 傳輸數(shù)據(jù)相同無應(yīng)答
 
當(dāng)所有的總線節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)均相同,那么所有節(jié)點認為自己成功發(fā)送了數(shù)據(jù),而等待總線其他節(jié)點應(yīng)答。此時發(fā)送節(jié)點會因為沒有得到應(yīng)答而被CAN節(jié)點識別為發(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)點也可以被識別為發(fā)送成功而不再重發(fā)。)
 
存在多余應(yīng)答節(jié)點
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
圖6 傳輸數(shù)據(jù)相同有應(yīng)答
 
在多個節(jié)點同時發(fā)送相同數(shù)據(jù)到總線,并存在其他節(jié)點不處于發(fā)送狀態(tài),其他節(jié)點則會對總線進行應(yīng)答,發(fā)送節(jié)點會認為CAN數(shù)據(jù)成功發(fā)送。從而隱藏了這種仲裁異?,F(xiàn)象。
 
4 仲裁的其他特性與測試建議
 
1、CAN總線中的節(jié)點在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請求發(fā)送時總線被其他節(jié)點占用,一般會在下一次空閑到來時請求發(fā)送,總線負載率越高,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)在高負載率的總線環(huán)境下,如果可以控制總線負載率在合理范圍內(nèi),可以大大減少仲裁事件的發(fā)生。
 
2、每個CAN節(jié)點在發(fā)送報文時,顯性電平都存在一定的驅(qū)動能力,在仲裁事件發(fā)生時,由于多個節(jié)點同時驅(qū)動總線,會造成CAN總線顯性電平電壓與平時高一點(驅(qū)動點越多,電壓越高)。同時由于每個節(jié)點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)需要測試指定節(jié)點長時間占用不到總線的表現(xiàn)時,應(yīng)該使用高優(yōu)先級測試報文進行高負載率發(fā)送(盡可能達到100%)。高優(yōu)先級報文一直占用總線,低優(yōu)先級報文永遠占用不到總線。當(dāng)需要部分允許部分禁止,應(yīng)設(shè)置測試報文優(yōu)先級在允許報文與不允許報文之間。
 
4、如果需要測試指定節(jié)點高負載率情況下報文周期特性,發(fā)送的報文優(yōu)先級不能高于被測節(jié)點周期特性報文的優(yōu)先級。如果被測節(jié)點滿足周期性,周期到來后的第一個空閑后報文發(fā)送就可以仲裁成功將該周期報文成功發(fā)送。
 
5、在某些CAN高層總線協(xié)議中,存在可變優(yōu)先級字段,(依據(jù)請求發(fā)送等待時間變化優(yōu)先級)。如果需要驗證報文優(yōu)先級變化特性,所發(fā)送的報文優(yōu)先級,需要使用高于初次請求優(yōu)先級,低于最高優(yōu)先級的報文。
5 總結(jié)
 
CAN總線中,無論節(jié)點還是測試設(shè)備發(fā)送報文仲裁場應(yīng)該不同,這樣可以避免因仲裁異常造成的錯誤出現(xiàn)。同樣在CAN測試時,應(yīng)依據(jù)測試目的選擇合理的CAN報文ID,避免仲裁特性影響測試效果。
 
淺談CAN發(fā)送仲裁機制
 
CANScope總線綜合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);重新定義CAN總線的開發(fā)測試方法,可對CAN網(wǎng)絡(luò)通信正確性、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)測試的終極工具。
 
 
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