隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，CAN總線(xiàn)已廣泛應用于，車(chē)輛、航空、醫療等高安全要求領(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(shí)，總線(xiàn)上偶然會(huì )出現許多意想不到的問(wèn)題，例如出現大量錯誤報文、被測設備報文周期出現異常、甚至總線(xiàn)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(xiàn)仲裁機制。

 

1 CAN總線(xiàn)仲裁機制

 

CAN總線(xiàn)作為現場(chǎng)總線(xiàn)，每個(gè)節點(diǎn)可以同時(shí)偵測到網(wǎng)絡(luò )上正在發(fā)送的數據，當總線(xiàn)空閑時(shí)每個(gè)節點(diǎn)均可以發(fā)起自身報文發(fā)送。如果多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)起報文發(fā)送請求，由哪個(gè)節點(diǎn)占用總線(xiàn)就是仲裁機制的主要用途。

 

首先CAN總線(xiàn)物理層通常是雙絞線(xiàn)。當邏輯“1” 被寫(xiě)進(jìn)總線(xiàn)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；當邏輯“0”被寫(xiě)進(jìn)總線(xiàn)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點(diǎn)同時(shí)寫(xiě)進(jìn)總線(xiàn)時(shí)，總線(xiàn)會(huì )表現為“顯性”位。“顯性位覆蓋隱性位”是CAN總線(xiàn)沖突檢測的基礎。

 

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

 

 

圖1 CAN仲裁機制 

 

如圖1所示，在多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文時(shí)，首次出現不同，且發(fā)送顯性位的節點(diǎn)占用總線(xiàn)。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(chǎng)

 

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(kāi)始，到標準幀的IDE位或擴展幀的RTR位結束。這個(gè)區域被定義為仲裁場(chǎng)。如圖2所示。

 

圖2 CAN仲裁場(chǎng)區域

 

依據仲裁場(chǎng)范圍，CAN總線(xiàn)仲裁流程如圖3所示。

 

圖3 CAN仲裁場(chǎng)區域

 

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(chǎng)完成。不過(guò)CAN總線(xiàn)配置錯誤或者測試時(shí)發(fā)送CAN幀疏忽，也存在仲裁場(chǎng)數據完全相同的情況，在這樣的情況下會(huì )對總線(xiàn)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(xiàn)可能出現什么表現。

 

1、仲裁場(chǎng)后數據傳輸不一致

 

在仲裁場(chǎng)結束后CAN節點(diǎn)需要對發(fā)送的數據進(jìn)行一致性對比，如果發(fā)送的數據與讀取回得數據不一致，收發(fā)器則需要發(fā)送CAN錯誤幀，以通知總線(xiàn)各個(gè)節點(diǎn)自身發(fā)送數據錯誤，停止接收并快速進(jìn)入總線(xiàn)空閑，以便再次數據發(fā)送。

 

圖4 仲裁場(chǎng)后數據傳輸不一致

 

如圖4所示當兩個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的仲裁場(chǎng)相同，在仲裁場(chǎng)后DLC段發(fā)生數據不同情況。發(fā)送單元1發(fā)現自己本身需要發(fā)送的隱性電平而收到的是顯性電平，識別到數據不一致現象后立即發(fā)出錯誤幀信息（6個(gè)顯性位）。發(fā)送單元1發(fā)送錯誤信息過(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)錯誤幀。最終造成類(lèi)似圖4總線(xiàn)電平特征。

 

需要注意，大部分CAN收發(fā)器在發(fā)送過(guò)程中因為沒(méi)有占用到總線(xiàn)或者發(fā)送失敗，會(huì )在下一次總線(xiàn)空閑到來(lái)時(shí)再次占用總線(xiàn)發(fā)送相同的數據。因此當出現仲裁場(chǎng)數據相同，后續數據不同時(shí)，有極大的可能造成總線(xiàn)錯誤后兩個(gè)節點(diǎn)再次同時(shí)占用總線(xiàn)，再次進(jìn)行仲裁并總線(xiàn)錯誤，甚至反復進(jìn)入錯誤造成網(wǎng)絡(luò )鎖死等嚴重情況。

 

2、仲裁場(chǎng)后數據相同

 

如果兩個(gè)CAN節點(diǎn)，發(fā)送CAN幀完全相同，兩個(gè)發(fā)送單元均認為占用了總線(xiàn)，并成功發(fā)送完數據。雖然數據發(fā)送完成，不過(guò)需要注意CAN節點(diǎn)在發(fā)送數據幀時(shí)，是不能夠對自己發(fā)送的CAN幀進(jìn)行應答，這個(gè)時(shí)候則會(huì )出現不同的情況。

 

不存在多余的應答節點(diǎn)

 

圖5 傳輸數據相同無(wú)應答

 

當所有的總線(xiàn)節點(diǎn)發(fā)送的數據均相同，那么所有節點(diǎn)認為自己成功發(fā)送了數據，而等待總線(xiàn)其他節點(diǎn)應答。此時(shí)發(fā)送節點(diǎn)會(huì )因為沒(méi)有得到應答而被CAN節點(diǎn)識別為發(fā)送失敗，從而重新占用總線(xiàn)再次發(fā)送。

（注：此現象與應用層有很大的關(guān)系，節點(diǎn)也可以被識別為發(fā)送成功而不再重發(fā)。）

 

存在多余應答節點(diǎn)

 

圖6 傳輸數據相同有應答

 

在多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送相同數據到總線(xiàn)，并存在其他節點(diǎn)不處于發(fā)送狀態(tài)，其他節點(diǎn)則會(huì )對總線(xiàn)進(jìn)行應答，發(fā)送節點(diǎn)會(huì )認為CAN數據成功發(fā)送。從而隱藏了這種仲裁異?，F象。

 

4 仲裁的其他特性與測試建議

 

1、CAN總線(xiàn)中的節點(diǎn)在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請求發(fā)送時(shí)總線(xiàn)被其他節點(diǎn)占用，一般會(huì )在下一次空閑到來(lái)時(shí)請求發(fā)送，總線(xiàn)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)生常出現在高負載率的總線(xiàn)環(huán)境下，如果可以控制總線(xiàn)負載率在合理范圍內，可以大大減少仲裁事件的發(fā)生。

 

2、每個(gè)CAN節點(diǎn)在發(fā)送報文時(shí)，顯性電平都存在一定的驅動(dòng)能力，在仲裁事件發(fā)生時(shí)，由于多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)驅動(dòng)總線(xiàn)，會(huì )造成CAN總線(xiàn)顯性電平電壓與平時(shí)高一點(diǎn)（驅動(dòng)點(diǎn)越多，電壓越高）。同時(shí)由于每個(gè)節點(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、當需要測試指定節點(diǎn)長(cháng)時(shí)間占用不到總線(xiàn)的表現時(shí)，應該使用高優(yōu)先級測試報文進(jìn)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(xiàn)，低優(yōu)先級報文永遠占用不到總線(xiàn)。當需要部分允許部分禁止，應設置測試報文優(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點(diǎn)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點(diǎn)周期特性報文的優(yōu)先級。如果被測節點(diǎn)滿(mǎn)足周期性，周期到來(lái)后的第一個(gè)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(xiàn)協(xié)議中，存在可變優(yōu)先級字段，（依據請求發(fā)送等待時(shí)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

 

CAN總線(xiàn)中，無(wú)論節點(diǎn)還是測試設備發(fā)送報文仲裁場(chǎng)應該不同，這樣可以避免因仲裁異常造成的錯誤出現。同樣在CAN測試時(shí)，應依據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。

 

 

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