詳解三大總線之CAN總線

3.1 位仲裁

要對數據進行實時處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數據時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。

CAN總線以報文為單位進行數據傳送,報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中,具有最低二進制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發(fā)送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。

CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優(yōu)點,因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。

對于主站的可靠性,由于CAN協議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

3.2 CAN與其它通信方案的比較

在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節(jié)點是否申請總線,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。

CAN實現總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數據時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網絡的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中,如Ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發(fā)生。

3.3 CAN的報文格式

在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。

在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節(jié)。

控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。

3.4 數據錯誤檢測

不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。

3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

3.4.3.應答錯誤

如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線檢測

有時,CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數據被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數據。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。