can總線的信號錯誤介紹

1. 幀結構 ?

1.1 錯誤幀 ?

錯誤幀用于在接收和發送消息時檢測出錯誤通知錯誤的幀，它由錯誤標志和錯誤界定符構成。

圖1 錯誤幀結構

上圖1的錯誤標志包括主動錯誤標志（6個位的顯性位）和被動錯誤標志（6個位的隱性位）兩種。主動錯誤標志處于主動錯誤狀態下的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。被動錯誤標志處于被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。錯誤界定符由8個位的隱性位構成。 注意上圖0~6位的錯誤標志重疊，這段怎么確定呢？需先介紹2個概念：位填充和錯誤類型。

1）位填充(Bit Stuffing) 位填充是為防止突發錯誤而設定的功能。當同樣的電平持續5位則添加一個位的反型數據位：



圖2 位填充示意，



注意：位填充作用范圍為SOF-CRC段機間的數據。


2) 錯誤類型 錯誤類型有5種，如下圖3所述。圖4為CRC錯誤示意。



圖3 錯誤類型描述

?



圖4 CRC驗證示意

針對上述位錯誤再做說明： 所謂“發出的電平與從總線上回讀的電平不一致”，指的就是節點向總線發出隱性位，卻從總線上回讀到顯性位或者節點向總線發出顯性位，卻從總線上回讀到隱性位這兩種情況。有三種例外情況不屬于位錯誤： 在仲裁區，節點向總線發送隱性位卻回讀到顯性位，不認為是位錯誤，這種情況表示該節點仲裁失??； 在ACK槽，節點向總線發送隱性位卻回讀到顯性位，不認為是位錯誤，這種情況表示，該節點當前發送的這一幀報文至少被一個其它節點正確接收； 一個節點發送被動錯誤標志，該節點向總線發送連續六個隱性位（被動錯誤標志）卻回讀到顯性位，不認為是位錯誤。因為被動錯誤標志是六個連續的隱性位，所以在總線上按照線與機制，有可能這六個連續隱性位被其它節點發送的顯性電平覆蓋。

3）錯誤幀發送 檢查到錯誤后，什么時候發送錯誤幀呢？按照CAN協議的規定：

位錯誤、填充錯誤、格式錯誤、ACK錯誤。在錯誤產生的那一位的下一位開始發送錯誤幀。

CRC錯誤。緊隨ACK界定符后的位發送錯誤幀。

通過具體例子（引自[3]）來了解錯誤幀發送，如下圖5所示。



圖5 錯誤幀

發送節點Node_A發送一個顯性位，但是卻從總線上聽到一個隱形位，于是Node_A節點就會檢測到一個位錯誤；

2）Node_A檢測到位錯誤之后，立即在下一位開始發送主動錯誤幀：6個連續顯性位的主動錯誤標志+8個連續隱性位的錯誤界定符；

3）對應Node_A發出的主動錯誤標志，總線上電平為6個連續顯性位；

4）接收節點Node_B和Node_C從總線上聽到連續6個顯性位，那么就會檢測到一個填充錯誤，于是這兩個節點都會發送主動錯誤幀；

5）對應Node_B和Node_C發出的主動錯誤標志，總線電平又有6個連續顯性電平，對應Node_B和Node_C發出的錯誤界定符，總線電平有8個連續的隱性電平。

6）在間歇場之后，Node_A節點重新發送剛剛出錯的報文。 在了解了錯誤幀的發送后，最后回到之前提到錯誤標志重疊部分是怎樣形成的，看下例?



圖6 錯誤界定符形成示意

在這個例子，我們知道位錯誤的錯誤標志與填充錯誤的錯誤標志重疊2位，剩下部分還有4位：

1.2 過載幀

為了后續介紹錯誤狀態，這里再介紹下過載幀，它是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀。過載幀由過載標志（6個位的顯性位）和過載界定符(8個位的隱性位)構成。過載界定符的構成與錯誤界定符的構成相同。過載幀的構成如下圖所示。



圖7 過載幀定義

對于過載幀的幀結構我們可以這樣理解：接收節點達到接收極限時，就會發出過載幀到總線上，顯然，過載標志的6個連續顯性位會屏蔽掉總線上其它節點的發送，也就是說這個時候的接收節點通過發送過載幀的方式來破壞其它節點的發送，這樣在接收節點發送過載幀期間，其它節點就不能成功發送報文，于是就相當于把其它節點的發送推遲了，也就是說接收節點在其發送過載幀的這段時間得以“休息”。有3種情況會引起過載幀：

接收節點自身原因。接收節點由于某種原因需要延遲接收下一個數據幀或者遙控幀。

在幀間隔的間歇段的第一位和第二位檢測到一個顯性位（正常的間歇段都是隱性位）。幀間隔的間隔段本應是三個連續的隱性位，如果接收節點在間隔段檢測到顯性位，那么就意味著此時有報文發向接收節點，但這個時候是不應該有報文發來的，于是接收節點發送過載幀。

CAN節點在錯誤界定符或過載界定符的第八位(最后一位)聽到一個顯性位0，節點會發送一個過載幀，且錯誤計數器不會增加。接收節點在錯誤界定符和過載界定符的最后一位聽到顯性位，也意味著有報文發向接收節點，但這個時候是不應該有報文發來的，于是接收節點發送過載幀。 ? ?

2. 錯誤狀態

單元（節點）檢測到錯誤幀時，隨著錯誤的積累，單元會處于3種錯誤狀態的一種，即主動錯誤狀態，被動錯誤狀態或總線關閉態。

1）主動錯誤狀態：可以正常參加總線通信的狀態，處于主動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時，輸出主動錯誤標志。

2）被動錯誤狀態：是易引起錯誤的狀態。處于被動錯誤狀態的單元雖能參加總線通信，但為不妨礙其他單元通信，接收時不能積極地發送錯誤通知；處于被動錯誤狀態的單元即使檢測出錯誤，而其它處于主動錯誤狀態的單元如果沒發現錯誤，整個總線也被認為是沒有錯誤的。處于被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時，輸出被動錯誤標志。另外，處于被動錯誤狀態的單元不能馬上再次開始發送。在開始下次發送前，在間隔幀期間內必須插入“延遲傳送”（8個位的隱性位）。

3）總線關閉態是不能參加總線上通信的狀態。信息的接收和發送均被禁止。 單元到底會處于以上3種錯誤狀態的哪一種，具體依靠發送錯誤計算和接收錯誤計數來管理，根據計數值決定進入何種狀態。錯誤狀態和計數值的關系如下表1和圖8所示。



表1，



圖8 單元的錯誤狀態

發送錯誤計數值和接收錯誤計數值根據一定的條件發送變化。錯誤計數值的變動條件如下表2，一次數據的接收和發送可能同時滿足多個條件。錯誤計數器在錯誤標志的第一個位出現的時間點上開始計數。



表2

當出現總線關閉態時，將設置CAN控制器狀態為STOPPED，從而禁止讀或寫總線的數據。

而在實際軟件開發過程中，其實一般也不關注上述錯誤狀態的跳轉，以Infineon的TC系列芯片為例，節點狀態寄存器有一位存儲總線關閉態，如下圖9所示。


圖9 節點狀態寄存器的總線關閉態

3. 網絡模式


根據AUTOSAR的CAN狀態管理模塊的文檔可知，CAN狀態管理模塊內部有3種網絡模式，分別是無通訊模式（COMM_NO_COMMUNICATION），靜默模式（COMM_SILENT_COMMUNICATION）和完全通訊模式（COMM_FULL_COMMUNICATION），它們之間切換關系如下圖10所示。




圖10 ?CanSM狀態機

關于上述狀態機跳轉可參考[4]，這里不做具體解釋。若將上述各狀態再細化，以CANSM_BSM_S_FULLCOM為例，如下圖11所示。



圖11 子狀態機

通過上述2圖可知兩點：一是總線關閉態將如何影響網絡模式的跳轉，比如圖9種導致CANSM_BSM_S_FULLCOM跳轉到CANSM_BSM_S_SILENTCOM，進而到CANSM_BSM_S_SILENTCOM_BOR；二是相應網絡模式下將會根據跳轉條件最終決定CAN控制器的狀態，比如圖10中跳轉到了S_RESTART_CC狀態，將設置CAN控制器狀態為CAN_CS_STARTED。 到此就介紹了關于總線信號錯誤引發的節點狀態變化，從而引起網絡模式變化而導致通訊無法進行的大致過程。通過前面文章的軟件實現介紹，可知本質上還是最終通過更改CAN控制器狀態而使接收與發送禁止。 ? ?

審核編輯：劉清