【導讀】CAN節點(diǎn)的穩定性、可靠性和安全性得益于其強大的錯誤管理機制。那么，CAN節點(diǎn)為什么能感知錯誤？又是如何響應錯誤？您是否能清晰地想象出這一過(guò)程？本文將為大家詳細分析CAN節點(diǎn)錯誤管理的工作過(guò)程。
節點(diǎn)電路構成
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節點(diǎn)組成框圖
CAN控制器是工作于數據鏈路層的器件，集成了CAN規范中數據鏈路層的全部功能，其功能由軟件和硬件共同實(shí)現，從設備供應商買(mǎi)回來(lái)的CAN控制器已經(jīng)把相應的邏輯固化在其硅片之中；MCU是工作于應用層的器件，其功能由軟件和硬件共同實(shí)現，MCU運行的程序可由設計者靈活設計，以實(shí)現CAN節點(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，其作用是將CAN控制器的邏輯電平轉化為CAN總線(xiàn)的模擬差分信號，以及把總線(xiàn)模擬差分信號轉換成CAN控制器的邏輯電平。
CAN節點(diǎn)的錯誤管理屬于CAN通信規范數據鏈路層的內容，具體來(lái)說(shuō)，錯誤管理是通過(guò)MCU和CAN控制器來(lái)實(shí)施的?？梢哉f(shuō)，CAN控制器是錯誤管理的基礎設施，我們可以從兩個(gè)方面理解其工作邏輯：一是如何感知錯誤，二是如何響應錯誤。
注：1、本文所說(shuō)的CAN規范指的是德國B(niǎo)OSCH公司的《CAN Specification Version 2.0》。
節點(diǎn)如何感知錯誤？
如前文所述，節點(diǎn)對總線(xiàn)錯誤的識別是通過(guò)CAN控制器來(lái)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(huì )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(gè)邏輯位期間同時(shí)監測總線(xiàn)的實(shí)際電平值。CAN控制器檢測總線(xiàn)錯誤原理如圖2所示：
圖2 監測總線(xiàn)錯誤原理圖
如圖2描述，CAN控制器監測一個(gè)總線(xiàn)電平的電平值是在采樣點(diǎn)位置進(jìn)行的，判斷是否出現錯誤是在信息處理時(shí)間內完成的。
綜上所述，CAN控制器對錯誤的識別可概括為：無(wú)論是作為發(fā)送器還是接收器，在采樣點(diǎn)位置成功監測到當前總線(xiàn)的實(shí)際電平值后，CAN控制器便按照CAN規范中描述的錯誤管理規則判斷是否出現錯誤。
CAN通信過(guò)程中的錯誤類(lèi)型包括5種，分別是：位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、幀格式錯誤、應答錯誤。接下來(lái)分別對5種錯誤的檢測識別過(guò)程進(jìn)行解析。
1、位錯誤
位錯誤是由作為發(fā)送器的節點(diǎn)在發(fā)送報文期間進(jìn)行檢測識別的。CAN控制器的程序邏輯發(fā)送的電平與監測到總線(xiàn)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(chǎng)或應答間隙期間發(fā)送一“隱性”位卻監視到一“顯性”位，以及當發(fā)送器發(fā)送一個(gè)被動(dòng)錯誤標志但檢測到“顯性”位時(shí)，均也不被視為位錯誤，以實(shí)現特定的功能。
2、填充錯誤
在CAN幀的位場(chǎng)中，幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)以及CRC序列，均通過(guò)位填充的方法編碼。無(wú)論何時(shí)，發(fā)送器只要檢測到這些位場(chǎng)對應位流里有5個(gè)連續相同值的位，便自動(dòng)在接著(zhù)的下一位插入一個(gè)補碼位。CAN控制器在監測總線(xiàn)電平值的同時(shí)對連續相同的位電平值會(huì )進(jìn)行計數，如果在使用位填充法進(jìn)行編碼的信息中，出現了第6個(gè)連續相同的位電平值時(shí)，便檢測到一個(gè)填充錯誤。
3、CRC錯誤
CRC錯誤是由作為接收器的節點(diǎn)進(jìn)行檢測識別的。CRC序列共15位（不包含填充位），其內容由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)(如果有)的無(wú)填充位流計算而來(lái)。
CRC序列計算使用CAN規范規定的方法。作為發(fā)送器的節點(diǎn)發(fā)送CAN報文時(shí)CRC序列由規定的計算方法確定，作為接收器的節點(diǎn)從總線(xiàn)上接收完數據場(chǎng)最后一個(gè)數據位（沒(méi)有數據場(chǎng)時(shí)是接收完控制場(chǎng)的最后一個(gè)位）后，如果接下來(lái)接收到實(shí)際的CRC序列與接收器的計算結果不一致，便檢測到CRC錯誤。
4、格式錯誤
節點(diǎn)無(wú)論是作為發(fā)送器的還是作為接收器均可在監測報文期間檢測識別格式錯誤。由于CAN通信嚴格按照CAN規范定義的幀格式進(jìn)行報文封裝傳輸，CAN控制器在監測總線(xiàn)電平位時(shí)明確知道當前位、后續位屬于幀格式中哪個(gè)位場(chǎng)，以及屬于位場(chǎng)的第幾個(gè)位，當接收到一個(gè)屬于幀格式固定形式的位時(shí)，如果實(shí)際電平值與幀格式定義不一致，則檢測到一個(gè)格式錯誤。
例外情況，對于接收器來(lái)說(shuō)，幀結束最后的位被置于“不重要”狀態(tài)，監測到的幀結束最后一位期間的顯性位不被當作幀錯誤。
5、應答錯誤
應答錯誤是由作為發(fā)送器的節點(diǎn)檢測識別的。在發(fā)送報文時(shí)，只要在發(fā)送應答間隙（隱性）期間所監測到的位不為“顯性”，則發(fā)送器會(huì )檢測到一個(gè)應答錯誤。
注：
1、上述5種錯誤不會(huì )相互排斥，也就是說(shuō)CAN幀中的某個(gè)錯誤有可能同屬一種以上的錯誤類(lèi)型。
2、如上所述，作為發(fā)送器或接收器的不同角色時(shí)，直接能檢測到的錯誤類(lèi)型是不一樣的。
節點(diǎn)如何響應錯誤？
CAN規范中規定每個(gè)CAN控制器中實(shí)現一個(gè)發(fā)送錯誤計數器和一個(gè)接收錯誤計數器。根據計數值不同，節點(diǎn)會(huì )處于不同的節點(diǎn)狀態(tài)，并根據計數值的變化進(jìn)行狀態(tài)轉換，狀態(tài)轉換如圖3所示。
圖3 節點(diǎn)轉態(tài)轉換圖
當CAN控制器檢測到總線(xiàn)錯誤后通過(guò)發(fā)送錯誤標志指示錯誤。對于“錯誤主動(dòng)”的節點(diǎn)，錯誤標志表現為“主動(dòng)錯誤標志”，對于“錯誤被動(dòng)”的節點(diǎn)，錯誤標志表現為“被動(dòng)錯誤標志”。
無(wú)論檢測到位錯誤、填充錯誤、幀格式錯誤、還是應答錯誤，CAN控制器會(huì )在緊鄰的下一位發(fā)送錯誤標志。如果檢測到的錯誤類(lèi)型是CRC錯誤，錯誤標志的發(fā)送開(kāi)始于A(yíng)CK定界符之后的位，即幀結尾。
綜上所述，CAN控制器對錯誤的響應可概括為：根據當前的節點(diǎn)狀態(tài)在位流序列相應的位置用錯誤標志標示錯誤，并按照CAN規范更新錯誤計數值，進(jìn)行節點(diǎn)狀態(tài)轉換。并且是每成功監測到一次錯誤便進(jìn)行一次響應。
注：
1、由于篇幅有限，關(guān)于錯誤計數的詳細規則、節點(diǎn)狀態(tài)轉換以及錯誤幀格式等細節均不在本文進(jìn)行討論，請讀者查閱CAN協(xié)議規范。
2、上述分析可知道，錯誤響應的關(guān)鍵要素包括錯誤標志的類(lèi)型和響應的位置。
錯誤管理機制的作用
錯誤管理機制的作用主要體現在對錯誤的響應過(guò)程。
作為發(fā)送器發(fā)送錯誤標志時(shí)，無(wú)論“主動(dòng)錯誤”還是“被動(dòng)錯誤”都必然包括6個(gè)連續同極性的位，使其他節點(diǎn)也識別到總線(xiàn)錯誤，進(jìn)而使所有節點(diǎn)都能丟棄當前出錯的幀。
作為接收器發(fā)送錯誤標志時(shí)，“主動(dòng)錯誤”標志使其他節點(diǎn)也識別到總線(xiàn)錯誤從而使所有節點(diǎn)（包括作為發(fā)送器的節點(diǎn)）都能丟棄當前出錯的幀；“被動(dòng)錯誤”標志不影響總線(xiàn)通信從而使其他節點(diǎn)都能成功接收當前幀，處于“被動(dòng)錯誤”狀態(tài)的節點(diǎn)屬于“不可信”狀態(tài)，其檢測到錯誤僅是自己丟棄當前幀，這也是錯誤管理的靈活性所在，即錯誤響應并不是嚴格在任何情況下都使所有節點(diǎn)丟棄同一幀報文。
綜上所述，錯誤管理機制可以使所有的節點(diǎn)同時(shí)接收或丟棄總線(xiàn)的同一幀報文，又可以使作為接收器的被動(dòng)錯誤狀態(tài)的節點(diǎn)僅自己丟棄當前報文而不影響其他節點(diǎn)。因此，錯誤管理是實(shí)現CAN通信數據一致性的機制之一。
總結
CAN節點(diǎn)錯誤管理功能是由CAN節點(diǎn)組成中的CAN控制器負責的，對錯誤管理的工作過(guò)程可以從“錯誤識別”和“錯誤響應”兩個(gè)方面進(jìn)行理解。錯誤管理是實(shí)現CAN通信數據的一致性的機制之一。
ZPS-CANFD是致遠電子總線(xiàn)分析儀第二代CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)輔助工具，適用于CANFD、CAN、LIN總線(xiàn)的測量及測試儀器，支持總線(xiàn)數據的發(fā)送和接收，高層協(xié)議解析及診斷，能對CANFD、CAN總線(xiàn)物理層電氣信號實(shí)時(shí)采集和記錄，并附帶有高速模擬通道、通用數字IO及模擬IO，通過(guò)提供的硬件接口及軟件功能，用戶(hù)能夠便捷地構建總線(xiàn)信號測量與分析、節點(diǎn)功能仿真及測試、網(wǎng)絡(luò )可靠性診斷及評估的自動(dòng)化系統。ZPS-CANFD可實(shí)現CAN/CANFD報文和波形的同步監測，可以直觀(guān)的定位排查節點(diǎn)錯誤問(wèn)題，以及更高效的錯誤干擾等模擬測試。
來(lái)源：ZLG致遠儀器，原創(chuàng )：研發(fā)部
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