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CAN總線(xiàn)經(jīng)近20年的發(fā)展已步入壯年期，它不僅在汽車(chē)領(lǐng)域的應用占據一定優(yōu)勢，在其他工業(yè)應用上也生機勃勃、枝繁葉茂。究竟是什么原因使它這么成功?當人們發(fā)現它的局限性，又面臨新的總線(xiàn)(例如FkxRay)的挑戰時(shí)，它的地位還能維持多久?這些問(wèn)題都離不開(kāi)對通信技術(shù)本質(zhì)和CAN總線(xiàn)特性的分析與理解。通信技術(shù)的不斷進(jìn)步離不開(kāi)應用對帶寬與抗干擾的追求，又要快又要正確，當然關(guān)鍵點(diǎn)是適合當前需求的性?xún)r(jià)比最佳的技術(shù)。沒(méi)有這些追求，可能我們會(huì )一直停留在RS232的標準上。當今CAN總線(xiàn)的競爭對手包括以RS485為物理層的總線(xiàn)和FlexRay總線(xiàn)，這種形勢下cAN總線(xiàn)的生命力在于其優(yōu)越的抗干擾能力和性?xún)r(jià)比，這些都來(lái)源于它獨特的物理層與數據鏈路層的設計。 1 物理層 1．1 信號狀態(tài) CAN總線(xiàn)的信號狀態(tài)為2種：隱位與顯位。當總線(xiàn)上出現隱位與顯位發(fā)送的競爭時(shí)，總線(xiàn)上的最終結果是顯位。這種二值特性對cAN總線(xiàn)的可靠性與其他特性有很大貢獻。CAN總線(xiàn)信號的二值且“單穩態(tài)”的特性為它的數據鏈路層創(chuàng )造了條件，即CAN總線(xiàn)上可以容許多主發(fā)送、競爭占線(xiàn)的方式。這極大簡(jiǎn)化了消息的調度。為使總線(xiàn)上的節點(diǎn)均有機會(huì )發(fā)送，有些總線(xiàn)采用“主從方式”，這種方法使總線(xiàn)的利用率較低，且從節點(diǎn)消息發(fā)送的等待時(shí)間較長(cháng)。有些總線(xiàn)采用“令牌方式”，但令牌的丟失和重復需要特別的處理機制。 許多總線(xiàn)是不容許總線(xiàn)上有沖突的，因為沖突發(fā)生后，不同的接收節點(diǎn)得到的電平結果是不同的。這使它們對總線(xiàn)上發(fā)生的事件在時(shí)間上與內容上產(chǎn)生不同的解釋?zhuān)顺鰶_突就會(huì )有時(shí)間的先后，從而導致節點(diǎn)間狀態(tài)的不同步。但是由于干擾的存在，節點(diǎn)可能會(huì )有誤動(dòng)作，發(fā)生不希望的沖突。為此，要增加需多輔助的設備來(lái)防止沖突，例如在時(shí)間觸發(fā)協(xié)議中經(jīng)常采用的總線(xiàn)監守。在CAN總線(xiàn)里，沖突的處理由于該信號的二值且“單穩態(tài)”的特性變得簡(jiǎn)單，報錯幀可以使所有節點(diǎn)(包括發(fā)生沖突的節點(diǎn))容易地取得數據的一致性和節點(diǎn)狀態(tài)的同步。 FlexRay總線(xiàn)的狀態(tài)有低功耗閑置、閑置、“O”、“1”四種。在正常工作模式時(shí)，總線(xiàn)接收部分只認可后3種狀態(tài)。與RS485總線(xiàn)不同的是，FlexRay收發(fā)器有一個(gè)判斷閑置狀態(tài)的機制。當總線(xiàn)電平差處于某范圍內——uBus—ActiveLow(最低一450 mV)～uBusActiveHigh(最高450mV)一段時(shí)間(dIdleDetection，最小50 ns，最大250 ns)后，它就將RxEN引腳置”l”，并將RxD置”1”。當總線(xiàn)電平超出該范圍一段時(shí)間(dActivityDetection，最小100 ns，最大300 ns)后，就退出閑置狀態(tài)。因此它不會(huì )在閑置狀態(tài)受干擾而輕易地誤判為新幀的開(kāi)始。而總線(xiàn)上因干擾而引起沖突的情形可由另設的總線(xiàn)監守加以防止。當然，這些功能的添加意味著(zhù)成本的增加。 1．2 信號電平與共模電壓 信號電平的高低有兩層影響：一是閑置時(shí)有干擾被誤認為是傳送的啟動(dòng)信號；二是傳送邏輯信號時(shí)因干擾而產(chǎn)生誤碼。 RS485接收器的閾值很小，總線(xiàn)電壓差小于一200mV時(shí)為“0”，大于200 mV時(shí)為“1”。因此，200 mV幅度的干擾就可能引起誤啟動(dòng)，而造成誤碼的干擾幅度為400mV。RS485總線(xiàn)的共模電壓為～7～+12 v。 CAN只有2種狀態(tài)：當總線(xiàn)電壓差小于0．5 V時(shí)，接收為隱位(即邏輯“1”)；大于0．9 V時(shí)，為顯位(即邏輯“O”)。O．5～O．9 V為變化的過(guò)渡區�？偩�(xiàn)隱位電壓差的正常值為0 V，因此可能引起誤啟動(dòng)的最小干擾為0．5 V；顯位電壓差的正常值為2．O V，合格的網(wǎng)絡(luò )顯位電壓差的最小值為1．2 V，引起誤碼的最小干擾為O．3 V。CAN總線(xiàn)的共模電壓為一2～+7V。 前面已介紹了FlexRay總線(xiàn)在總線(xiàn)閑置與正常通信的過(guò)渡情況，不再重復。它的接收器邏輯“l(fā)”電平為uData1(最低150 mV，最高300 mV)，邏輯“O”電平為uData一0(最低一300 mV，最高一150 mV)。因此引起誤碼的最小干擾為0．3 V。FlexRay總線(xiàn)的共模電壓為一10～+15 V。 1．3 采 樣 采用RS485收發(fā)器的總線(xiàn)往往與 UART相連，它們一般在啟動(dòng)電平負跳變后的1／2位處對總線(xiàn)的邏輯值作采樣判斷。因此，當總線(xiàn)閑置時(shí)，若干擾的幅度足夠大，且持續時(shí)間大于1／2位，就可能產(chǎn)生誤啟動(dòng)。 CAN總線(xiàn)的位值一般在80％～90％位處采樣，因此它能容忍的誤啟動(dòng)干擾不但幅度大，而且時(shí)間長(cháng)。正常傳送時(shí)，高速CAN的位采樣為1次，低速時(shí)可以有 3次(例如TJAl000中由SAM位控制)。這意味著(zhù)可以抵御1次干擾引起的錯誤，因為沒(méi)有看到這3次采樣的間隔有多大，只能估計它是以Tq為單位。高速時(shí)實(shí)現3次采樣的可能性在于廠(chǎng)家產(chǎn)品的設計，與CAN標準無(wú)關(guān)，如果以1 Mbps計算，每位分為25個(gè)Tq，那么在3次采樣下，可以抵御的干擾持續時(shí)間為40 ns。 FlexRayr總線(xiàn)容許的誤啟動(dòng)時(shí)間與位采樣點(diǎn)位置無(wú)關(guān)，由dActivityDeteetion決定，最小為100 ns。正常傳送時(shí)，根據FlexRay數據鏈路層3．2．2的規定，每一位采樣cSamplesPerBit(=8)次，將最近的 cVotingSamples(=5)次按多數進(jìn)行表決，即可得到當時(shí)的總線(xiàn)接收值(zVoted—Val)。因此這種方法可以抵御1／4位長(cháng)度的干擾，按FlexRay 10 Mbps計算，抵御的干擾持續時(shí)間為25 ns。 2 媒體存取與邏輯鏈路層 2．1 位填充 CAN總線(xiàn)的位填充是在以前的位填充做法的基礎上發(fā)展起來(lái)的。在高級數據鏈路控制規程(HDLC)中用01111110作報頭與報尾的標志位；在其他部分為了不致引起誤解，采用每連續5個(gè)“1”之后填入一個(gè)“0”的辦法，接收后將填人的O去掉。cAN總線(xiàn)不僅在連續5個(gè)“1“之后填入一個(gè) “0”，而且在5個(gè)“0”之后填入一個(gè)“1”，接收后將填入位丟掉。CAN總線(xiàn)這樣做不僅為報錯機制(報錯幀)創(chuàng )造了條件，而且還有2個(gè)對信號傳遞有利的方面：一是為CAN總線(xiàn)的位同步創(chuàng )造了較短的同步間隔，有利于提高同步精確度；二是有利于在總線(xiàn)上引入適時(shí)的反向放電，減少因總線(xiàn)長(cháng)期同一極性充電造成的物理層誤判。 但是位填充方法減弱了CAN總線(xiàn)的CRC防止錯誤漏檢的能力。發(fā)生在填充位的錯誤會(huì )改變位流的相位，只要有2次填充位錯就會(huì )使原來(lái)的部分位流提前或推后1 位，而此時(shí)仍有CRC檢查通過(guò)的可能。通過(guò)仿真方法注入位錯，求出CRC檢查漏檢出錯的概率為l.3×10-7，而不是CAN總線(xiàn)聲稱(chēng)的所有5位以下的錯誤均能檢出。位填充的另一個(gè)缺點(diǎn)是造成數據輸送率的下降以及幀長(cháng)度的不確定性。FlexRay總線(xiàn)沒(méi)有用位填充的方法，使用其他方法實(shí)現位同步。 2．2 幀編碼與解碼 關(guān)于CAN總線(xiàn)的幀已有大量文獻介紹，這里不再贅述。FlexRay總線(xiàn)則復雜得多，其中對用戶(hù)安排帶寬起關(guān)鍵作用的是擴展字節的概念。根據 FlexRay總線(xiàn)數據鏈路層3．2．1．1．3的規定，每一個(gè)字節開(kāi)始處要有一個(gè)由“1”和“O”組成的字節開(kāi)始序列(Byte Start Sequence，BSS)，然后才是要傳送的8位數據。FlexRay容許的最大時(shí)鐘變化cClockDeviationMax為1 500×10-6(0．15％)，因此收發(fā)之間可能差O．3％，每333次就可能差1次采樣。如前所述，1位要采樣8次，那么不到44位就會(huì )差1次采樣，因此除了時(shí)鐘本身的偏移與速率要校正外，FlexRay中也有位同步的機制。 位同步有2個(gè)條件：同步機制已使能；zVotedVal由高到低的跳變。正常傳送時(shí)，同步機制的使能發(fā)生在BSS的zVotedVal為高時(shí)。當同步時(shí)，將保存zVotedVal的cSamplesPerBit位循環(huán)計數器置2；當循環(huán)計數器計數為cStrobeOffset(=5)時(shí)，將該 zVotedVal取作真正送到協(xié)議其他部分的位置�？紤]到實(shí)現位同步必須有BSS這個(gè)因素，一個(gè)FlexRay信道即使不算其他開(kāi)銷(xiāo)，至多只能傳送 8Mbps的實(shí)際數據；再加上其他的開(kāi)銷(xiāo)，例如發(fā)送幀之間的間隔cChannelIdleDelimiter(=11位)等，有效的負載更小。 2．3 回 讀 CAN總線(xiàn)發(fā)送節點(diǎn)能夠在送出1位時(shí)又把它從總線(xiàn)上讀回來(lái)，其他總線(xiàn)沒(méi)有這個(gè)功能。這個(gè)功能提供了無(wú)損位仲裁的基礎，讓優(yōu)先級高的消息獲得在總線(xiàn)上繼續傳送的權力；同時(shí)，增強了發(fā)送節點(diǎn)早一點(diǎn)檢測出錯誤的能力，一旦有錯就可發(fā)送報錯幀并停止原來(lái)幀的傳送，節省了出錯后無(wú)用部分的繼續傳送帶寬。 2．4 錯誤約束 CAN總線(xiàn)對錯誤的檢測主要是編碼與解碼的過(guò)程，例如bit錯、填充錯、ACK錯、CRC錯和格式錯。對于時(shí)間同步，并未將其視為重要問(wèn)題。例如當重同步誤差大于重同步跳躍寬度時(shí)，肯定會(huì )出現位同步的失敗，造成數據傳送的錯誤。這種錯誤會(huì )被誤認為是由其他原因引起，而不能及時(shí)發(fā)現。有時(shí)候它也成為 Babbling idiot失效的原因。CAN總線(xiàn)對瞬態(tài)故障與永久性故障采用分類(lèi)的約束辦法。有錯時(shí)收發(fā)錯計數器增加快，正常時(shí)收發(fā)錯計數器減少慢，按收發(fā)錯計數器的值把節點(diǎn)分為主動(dòng)報錯狀態(tài)、消極報錯狀態(tài)和離線(xiàn)狀態(tài)。處于消極報錯狀態(tài)的節點(diǎn)有可能無(wú)法正確接收到幀。出錯過(guò)于頻繁時(shí)把有永久性故障傾向的節點(diǎn)從總線(xiàn)上切除，雖然被切除的節點(diǎn)失去了通信能力，但其他節點(diǎn)間的通信可能免除了騷擾，這不失為一種有效的故障時(shí)性能逐步退化的策略(scalable degra—dation)。 FlexRay總線(xiàn)的檢錯包括解碼過(guò)程中的錯以及時(shí)間同步過(guò)程中的錯，例如數據幀接收時(shí)是否有格式錯、CRC錯，符號(symbol)傳送時(shí)高、低的時(shí)間長(cháng)度是否在范圍內。由于是時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，通過(guò)各分散的節點(diǎn)預定發(fā)送時(shí)間與實(shí)際發(fā)送時(shí)間的差進(jìn)行修正，建立同步時(shí)基，對發(fā)送時(shí)間的超限要求更嚴。它對時(shí)間同步中產(chǎn)生的問(wèn)題也采取了一種逐步退化的策略。它有一個(gè)協(xié)議運行控制的機制(POC)，POC有3個(gè)狀態(tài)，為POC：normal active(積極)，POC：norreal passive(消極)和POC：haIt(停止)。其中，積極狀態(tài)下，同步處于容許界限內，不會(huì )破壞其他節點(diǎn)的同步；消極狀態(tài)下，同步已惡化到不能再發(fā)送的地步，若再發(fā)送就有可能超出它的窗口而與其他節點(diǎn)沖突，但它容許接收，以取得足夠的同步重返積極狀態(tài)。在自檢或完好性檢查(sanity check)未通過(guò)，或POC與其他核心機制發(fā)現嚴重錯，或host檢查到錯誤給出命令的情況下，POC會(huì )進(jìn)入停止狀態(tài)，此時(shí)只有重新初始化了。 從上面的簡(jiǎn)述可見(jiàn)，在保證所有節點(diǎn)數據的一致性上，二者都是要靠其他措施的，而這些可能的措施(例如組籍算法，membership algorithm)都有待討論，對錯誤的約束僅限于逐步退化的策略。 2．5 幀出錯率 總線(xiàn)傳送中的出錯來(lái)源于各種干擾，除了前面分析的信號電平、采樣過(guò)程、共模電壓以外，來(lái)自電源的傳導干擾也可能使通信控制器工作異常而通信失效，所以不能僅以物理層的一些指標作完整的判斷。幀的出錯概率對應用有很大影響，它涉及出錯以后該怎么辦的問(wèn)題。幀的出錯概率與幀長(cháng)成比例關(guān)系，CAN2．0A的最大幀長(cháng)為133位，FlexRay的最大幀長(cháng)為2 625位(254字節數據+8字節開(kāi)銷(xiāo)+5個(gè)起始／停止位，這里1字節=10位)。假設二者的誤碼率相同，那么FlexRay的幀出錯率PF約為 CAN(Pc)的20倍。雖然FlexRay幀可傳送的數據多得多，但是一個(gè)幀錯了，其中的消息便全部不能利用，這種消息捆綁在一起的特性，大大增加了出錯的機會(huì )。如果將FlexRay像CAN那樣傳送短幀，那么幀的效率會(huì )比CAN還低，存放靜態(tài)段調度表的硬件部分更大。如果將來(lái)由于ECU內處理器更強大，一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的消息更多，那么這種長(cháng)幀有用途，但是出錯概率的增大仍是缺點(diǎn)。另外，用長(cháng)幀傳短消息涉及消息在幀內的編排方法，這種靈活性必然要求有高級通信層的統一約束，否則會(huì )帶來(lái)修理、供貨、管理上的不便與成本的增加。這可能是漫長(cháng)的路，在統一之前仍然是各汽車(chē)廠(chǎng)專(zhuān)用的封閉的高層協(xié)議，幾乎沒(méi)有留給外人插足的空間。 3 與FlexRay總線(xiàn)的比較 3．1 單信道應用 出錯自動(dòng)重發(fā)是CAN總線(xiàn)的一大特點(diǎn)。FlexRay協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構包括總線(xiàn)方式，但是用2個(gè)信道還是1個(gè)與性能和成本關(guān)系很大。FlexRay的設計是用2個(gè)信道同時(shí)傳送來(lái)保證傳送的正確性，因為它不像CAN有出錯重發(fā)的功能。2個(gè)通道同時(shí)出錯的概率比較小，不考慮出錯重發(fā)時(shí)丟幀也不多。如果考慮2 個(gè)信道同時(shí)出錯而要求重發(fā)，則必須在應用層處理，而在動(dòng)態(tài)時(shí)隙中傳送請求與重發(fā)，不是一件容易的事，也推遲了送達時(shí)間。如果FlexRay只用一個(gè)信道來(lái)完成，出錯概率較大，為了簡(jiǎn)化應用可以采用重復傳送的方法(即時(shí)間冗余)，在2次或多次傳送中只要有1次成功便可。但是這樣做相當于把FlexRay的帶寬降了下來(lái)，例如減為1／2或1／3。這并不意味著(zhù)2個(gè)信道時(shí)吞吐量?jì)H為10 Mbps或更小，因為可以在其中一個(gè)信道安排較多的動(dòng)態(tài)段，用于出錯消息的重發(fā)請求與重發(fā)，即僅傳送出錯的部分。 3．2 安全攸關(guān)應用的額外要求 對FlexRay這樣的時(shí)間觸發(fā)通信協(xié)議，其錯誤約束機制中已盡量考慮了各種可能的出錯情況，防止一個(gè)節點(diǎn)的發(fā)送超出預定給它的時(shí)間窗口。為了提高防錯的能力，另外設計了總線(xiàn)監守�？偩�(xiàn)監守有自己的時(shí)鐘線(xiàn)路和與節點(diǎn)發(fā)送的調度表，它控制該節點(diǎn)的總線(xiàn)驅動(dòng)器，僅在容許的時(shí)間窗口里讓總線(xiàn)驅動(dòng)器工作。這種機制給防止沖突構成了雙保險，但是增加了系統的成本，所以把它作為選件。在FlexRay中有2種總線(xiàn)監守：一種是本地總線(xiàn)監守，即與節點(diǎn)靠近的地方，甚至是可以做在同一硅片上的總線(xiàn)監守；另一種是遠方的星型耦合器中的集中式總線(xiàn)監守。在總線(xiàn)式應用中有關(guān)的是本地總線(xiàn)監守。雖然總線(xiàn)監守要做的事少一些，但是它也要有時(shí)間同步的相關(guān)機制，以及啟動(dòng)和從休眠中喚醒的算法。為實(shí)現這些功能，從總線(xiàn)上接收數據的部分就是必不可少的。由于僅少了發(fā)送部分，FlexRay甚至提到過(guò)一種可能：將控制芯片設計成可組態(tài)的，既可用作通信控制器，又可以用作總線(xiàn)監守。這就說(shuō)明了總線(xiàn)監守的結構是復雜的、高成本的。有的FlexRay文獻中提到，可以將安全攸關(guān)的節點(diǎn)與要求稍低的節點(diǎn)連在同一總線(xiàn)上，要求低的節點(diǎn)可以不配總線(xiàn)監守。這種講法是不正確的，因為根據木桶原理，一段總線(xiàn)上通信的沖突可能性由最有可能引起沖突的節點(diǎn)決定，安全要求低的節點(diǎn)發(fā)送超時(shí)會(huì )引起總線(xiàn)上的沖突，影響安全攸關(guān)消息的傳送。 4 小結 目前在車(chē)內總線(xiàn)技術(shù)的競爭方面，CAN總線(xiàn)的主要對手是FlexRay總線(xiàn)，因此與FlexRay總線(xiàn)在單信道應用上的比較是不可避免的。因為在一個(gè)信道上傳送FlexRay的幀出錯率高很多，又沒(méi)有出錯自動(dòng)重發(fā)的機制，所以FlexRay總線(xiàn)要減少出錯就必須重復發(fā)送，以時(shí)間備份的方式糾錯。經(jīng)過(guò) FlexRay擴展字節與時(shí)間備份的折扣，有效的數據傳送速率已降到4 Mbps；再加上其他開(kāi)銷(xiāo)，帶寬還會(huì )減小。另一方面，時(shí)間觸發(fā)協(xié)議的調度表的求解在負載越大時(shí)越困難，不可能用足4 Mbps。 FlexRay總線(xiàn)的通道長(cháng)度最長(cháng)為24 m，如果CAN總線(xiàn)也限于24 m，則根據每米信號傳送遲后約5 ns計算，CAN位時(shí)間中傳送段的通道傳送部分為240 ns。若設計驅動(dòng)器的響應時(shí)間為40 ns左右(如SJAl000)，那么CAN總線(xiàn)的數據傳輸速率達到2～3 Mbps也是可能的，雖然ISO11898—1限定1 Mbps為上限，但它并非技術(shù)的極限。FlexRay總線(xiàn)在抗共模干擾上比CAN總線(xiàn)強，但是出錯并不僅由共模干擾引起，例如來(lái)自電源的傳導干擾也會(huì )引起包括比較器在內的的所有電路出錯，所以并不能確定FlexRay總線(xiàn)的硬件可靠性高于CAN總線(xiàn)。在保證傳送數據的一致性方面，2種協(xié)議都要有應用層的解決辦法，FlexRay總線(xiàn)并未提供直接可用的機制。作為通信的下層，它們都采取的是性能逐步退化的策略。也有人在研究冗余通道、星形拓撲等措施在CAN 總線(xiàn)中如何實(shí)現，并非不可能。 就CAN總線(xiàn)而言，FlexRay總線(xiàn)是一種挑戰，但是在單信道的總線(xiàn)拓撲應用中FlexRay總線(xiàn)并不構成威脅。由于目前高檔車(chē)內已經(jīng)用了不止一個(gè) CAN總線(xiàn)系統，用雙信道的FlexRay取代多個(gè)CAN總線(xiàn)系統有可能在性?xún)r(jià)比上取得進(jìn)展，但是與現在生產(chǎn)的應用CAN總線(xiàn)的ECU存在兼容問(wèn)題，且成本較高，這些問(wèn)題的解決還有待時(shí)日。盡管CAN總線(xiàn)有一定局限，甚至還有漏洞，但對CAN總線(xiàn)的改進(jìn)還在繼續，在未來(lái)的5～10年里CAN總線(xiàn)仍然有很大的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢。 參考文獻 1. Texas Instruments Interface Circuits for TIA/EIA-485(RS485) Design Notes.(literature number SLLA036B) 2002 2. ISO 11898-2-2003.Road vehicles:Controller area network(CAN)-Part 2:High speed medium access unit 3. FlexRay Consortium FlexRay Communications System Electrical Physical Layer Specification Version 2.1 Revision A 2005 4. CiA:DS-102 Baudrate,RU-CAN02.pdf 5. FlexRay Consortium FlexRay Communications System Protocol Specification Version 2.1 Revision A 2005 6. Eushiuan Tran Multi-Bit Error Vulnerabilities in the Controller Area Network Protocol 1999 7. Ferreira J.Oliveira A.Fonseca P An Experiment to Assess Bit Error Rate in CAN 2004 作者：重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所 楊福宇 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2008 (12) |
