CAN是控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network， CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準(ISO 11898)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)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(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)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(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。圖2為CAN總線網(wǎng)路圖，它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強而有力的技術支持。
圖2 CAN總線網(wǎng)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(fā)中，相較于CAN總線的正確幀，工程師更關注CAN總線的錯誤幀，下面將為大家展現(xiàn)CANscope波形常見的幾類錯誤，圖3為干擾導致的CAN通訊錯誤。
圖3 錯誤波形圖
圖4為終端電阻并聯(lián)過多，差分電平幅值太小導致接收節(jié)點識別失敗的錯誤。
圖4 錯誤波形圖
圖5為總線支線過長，電平下降沿臺階過高，導致位寬度失調(diào)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總線上的干擾，導致的錯誤。
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)，導致位錯誤。
圖7 錯誤波形圖
CAN總線的錯誤都有哪些形式，相互之間有什么樣的關系，以及總線的檢測與校驗的原理是什么?
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(xiàn)了各種錯誤。
圖8 CAN總線錯誤類型
CAN報文傳輸過程中出現(xiàn)通訊錯誤，會發(fā)送錯誤幀，以上所述的錯誤幀類型中根據(jù)其錯誤標識符不同，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(fā)出錯誤標識符(連續(xù)6個顯性位)和錯誤界定符(連續(xù)8個隱形位);目的在于“主動”通知錯誤，即使別的節(jié)點沒有發(fā)現(xiàn)此錯誤;
被動錯誤：檢測錯誤，被動等待其他節(jié)點報錯后發(fā)送錯誤標識符(連續(xù)6個隱形位)和錯誤標識符(連續(xù)8個隱形位);目的在于識別錯誤，回應主動錯誤;
總線關閉：節(jié)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)導致無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)而不斷地破壞數(shù)據(jù)幀，從而影響其他正常節(jié)點通訊，CAN-bus規(guī)范中規(guī)定每個CAN控制器都有一個發(fā)送錯誤計數(shù)器和一個接收錯誤計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)值不同CAN節(jié)點會處于不同的設備狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉換關系如圖9所示：
圖9 錯誤轉換圖
接收、發(fā)送錯誤計數(shù)器對應的變動條件及數(shù)值變動情況：
接收單元檢測出錯誤時，檢測到錯誤標識符或過載標志的“位錯誤”除外，此時REC+1、TEC不變;
接收單元在發(fā)送完錯誤標志后檢測到第一位為顯性電平，此時REC+8、TEC不變;
發(fā)送單元輸出錯誤標志，此時REC不變、TEC+8;
發(fā)送單元發(fā)送主動錯誤標志或過載標志，檢測出位錯誤，REC不變、TEC+8;
接收單元發(fā)送主動錯誤標志或過載標志，檢測出位錯誤，REC+8、TEC不變;
各單元從主動錯誤標志、過載標志的開始檢測出連續(xù)14個顯性位，之后每檢測出連續(xù)8個顯性位，發(fā)送時REC+8、接收時TEC+8;
檢測出被動錯誤標志后追加連續(xù)8個位的顯性位，發(fā)送時REC+8、接收時TEC+8;
發(fā)送單元正常接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結束時(到CRC未檢測出錯誤且正常返回ACK)，REC
處于總線關閉的單元，檢測到128次連續(xù)11個位的隱形位，錯誤計數(shù)器歸零，REC、TEC=0;
CAN總線錯誤處理功能屬于是鏈路層功能，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(fā)送緩沖器、接收FIFO和CAN總線之間數(shù)據(jù)流的程序裝置，它還執(zhí)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(jiān)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，然后把有關錯誤統(tǒng)計告訴位流處理器和接口管理邏輯(IML)。
圖10 CAN控制器
CAN控制器的信號從CAN收發(fā)器的TXD發(fā)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(fā)送錯誤檢測與ID仲裁功能。CAN總線是如何保證數(shù)據(jù)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(jié)點在發(fā)送過程中，同時會監(jiān)測自身發(fā)送的位數(shù)值，假如檢測到位與自身送出的位數(shù)值不同，則會提示位錯誤;
圖11 位檢測
CRC校驗：即循環(huán)冗余校驗碼是數(shù)據(jù)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(huán)計算冗余校驗碼的方式實現(xiàn)的，CAN控制器內(nèi)部CRC的實現(xiàn)是基于多項式發(fā)生器和一個15位寄存器;其意義在于保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性，未經(jīng)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(fā)與測試的專業(yè)工具，集海量存儲示波器、網(wǎng)絡分析儀、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聯(lián)，如圖12所示CANscope的軟件界面圖;重新定義CAN總線的開發(fā)測試方法，可對CAN網(wǎng)絡通訊正確性、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總線應用的各種問題，是CAN總線開發(fā)測試的終極工具。
圖12 CANscope軟件界面
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