CAN总线错误检测机制

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CAN总线是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，CAN总线应运而生，图1为CAN总线在汽车中的应用图。

图1  汽车中CAN总线的应用

CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。图2为CAN总线网路图，它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强而有力的技术支持。

图2  CAN总线网路图

CAN总线作为可靠性非常高的总线，出错概率非常小，这也是它被广泛应用的原因之一。在CAN总线的实际研发中，相较于CAN总线的正确帧，工程师更关注CAN总线的错误帧，下面将为大家展现CANscope波形常见的几类错误，图3为干扰导致的CAN通讯错误。

图3  错误波形图

图4为终端电阻并联过多，差分电平幅值太小导致接收节点识别失败的错误。

图4  错误波形图

图5为总线支线过长，电平下降沿台阶过高，导致位宽度失调的错误。

图5  错误波形图

图6为卡车打开/关闭大灯时，耦合到CAN总线上的干扰，导致的错误。

图6  错误波形图

图7为波特率异常（位宽度从2us突然变成1.6us），导致位错误。

图7  错误波形图

CAN总线的错误都有哪些形式，相互之间有什么样的关系，以及总线的检测与校验的原理是什么？


CAN总线的错误帧可分为位错误、位填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误五大类，每类错误的具体解释如图8所示，此图简洁明了的展现了各种错误。

图8  CAN总线错误类型

CAN报文传输过程中出现通讯错误，会发送错误帧，以上所述的错误帧类型中根据其错误标识符不同，可分为“主动错误”和“被动错误”。


主动错误：检测错误主动报错，发出错误标识符（连续6个显性位）和错误界定符（连续8个隐形位）；目的在于“主动”通知错误，即使别的节点没有发现此错误；


被动错误：检测错误，被动等待其他节点报错后发送错误标识符（连续6个隐形位）和错误标识符（连续8个隐形位）；目的在于识别错误，回应主动错误；


总线关闭：节点不参与总线通讯；


为了避免某个设备因为自身原因（例如硬件损坏）导致无法正常收发数据而不断地破坏数据帧，从而影响其他正常节点通讯，CAN-bus规范中规定每个CAN控制器都有一个发送错误计数器和一个接收错误计数器。根据计数值不同CAN节点会处于不同的设备状态，状态之间的转换关系如图9所示：

图9  错误转换图

接收、发送错误计数器对应的变动条件及数值变动情况：

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接收单元检测出错误时，检测到错误标识符或过载标志的“位错误”除外，此时REC+1、TEC不变；[/li][li]
接收单元在发送完错误标志后检测到第一位为显性电平，此时REC+8、TEC不变；     [/li][li]
发送单元输出错误标志，此时REC不变、TEC+8；[/li][li]
发送单元发送主动错误标志或过载标志，检测出位错误，REC不变、TEC+8；[/li][li]
接收单元发送主动错误标志或过载标志，检测出位错误，REC+8、TEC不变；[/li][li]
各单元从主动错误标志、过载标志的开始检测出连续14个显性位，之后每检测出连续8个显性位，发送时REC+8、接收时TEC+8；[/li][li]
检测出被动错误标志后追加连续8个位的显性位，发送时REC+8、接收时TEC+8；[/li][li]
发送单元正常接收数据结束时（返回ACK且到帧结束位检测到错误），REC不变、TEC-1；[/li][li]
接收单元正常接收数据结束时（到CRC未检测出错误且正常返回ACK），REC[/li][li]
处于总线关闭的单元，检测到128次连续11个位的隐形位，错误计数器归零，REC、TEC=0；[/li]

CAN总线错误处理功能属于是链路层功能，此功能由CAN控制器决定，如图10所示CAN控制介绍图，其中详细介绍与错误处理有关的部分：位流处理器、位逻辑控制、错误管理逻辑。

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位流处理器（BSP）是一个控制发送缓冲器、接收FIFO和CAN总线之间数据流的程序装置，它还执行总线上的错误检测、仲载、总线填充和错误处理。[/li][li]
位时序逻辑（BTL）监视串行的CAN总线和位时序，它在信息开头“弱势支配”的总线传输时，同步 CAN总线位流（硬同步），接收报文时再次同步下一次传送（软同步）。[/li][li]
错误管理逻辑（EML）负责限制传输层模块的错误，它接收来自位流处理器的出错报告，然后把有关错误统计告诉位流处理器和接口管理逻辑（IML）。[/li]

图10  CAN控制器

CAN控制器的信号从CAN收发器的TXD发送到总线，同时被RXD收回进行检测，以此达到实时的接收错误检测、发送错误检测与ID仲裁功能。CAN总线是如何保证数据传输可靠性的，以下介绍CAN总线独有的检测机制：位流检测和CRC校验；


位流检测：即位检测，如图11所示节点在发送过程中，同时会监测自身发送的位数值，假如检测到位与自身送出的位数值不同，则会提示位错误；

图11  位检测

CRC校验：即循环冗余校验码是数据通讯领域中最常用的一种差错校验码，其信息字段和校验字段的长度可任意选定；CRC校验过程是通过循环计算冗余校验码的方式实现的，CAN控制器内部CRC的实现是基于多项式发生器和一个15位寄存器；其意义在于保证传输数据的正确性，未经CRC校验检测出的错误低于10负九次方。


CANscope总线分析仪是一款综合性的CAN总线开发与测试的专业工具，集海量存储示波器、网络分析仪、误码率分析仪、协议分析仪及可靠性测试工具于一身，并把各种仪器有机的整合和关联，如图12所示CANscope的软件界面图；重新定义CAN总线的开发测试方法，可对CAN网络通讯正确性、可靠性、合理性进行多角度全方位的评估；帮助用户快速定位故障节点，解决CAN总线应用的各种问题，是CAN总线开发测试的终极工具。

图12  CANscope软件界面

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