CAN優(yōu)先級倒置原因與對策分析

CAN總線(xiàn)起始于1986年左右，至今仍廣泛應用?，F在人們對安全的要求已大為提高，所以要不斷仔細審視CAN的安全性能?，F在已經(jīng)發(fā)現的重要的CAN問(wèn)題有：在消極報錯狀態(tài)下可能出現等效離線(xiàn)，使節點(diǎn)不能收發(fā)的時(shí)間相當長(cháng)[1]；錯幀漏檢率的估計不準，特別在誤碼率高時(shí)比Bosch CAN2.0數據高多個(gè)數量級[2]，在單目的地址時(shí)影響數據正確性，在多個(gè)目的地址時(shí)會(huì )影響數據一致性；標準的振蕩源精度要求偏低[3]，使誤用廉價(jià)器件成為可能，影響系統的穩定性；本文發(fā)現的優(yōu)先級倒置的可能性，使調度分析結果的可信度下降；在數據幀倒數第二位的局部錯可能引起不一致的接收重復或丟失[4]。所以在FlexRay尚未達到預定目標、無(wú)論在可靠性還是價(jià)格上能取代CAN以前，對CAN作進(jìn)一步的改進(jìn)仍然是非常有意義的。

CAN是一種代表性的事件觸發(fā)通信協(xié)議，同時(shí)發(fā)生的多個(gè)通信請求將按照消息的優(yōu)先級進(jìn)行無(wú)損仲裁，高優(yōu)先級的勝出。按照消息的優(yōu)先級進(jìn)行無(wú)損仲裁是CAN原始專(zhuān)利的唯一權利要求[5]。對于低優(yōu)先級的消息而言，送達時(shí)間將受到高優(yōu)先級消息的阻擾，在高優(yōu)先級消息為周期性時(shí)，最壞送達時(shí)間是可以預先計算出的[6]。如果能安排好發(fā)送消息的初始相位并作寬松的時(shí)鐘同步，這個(gè)最壞送達時(shí)間可以大為減少。事件觸發(fā)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是總線(xiàn)帶寬可以得到充分利用。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高優(yōu)先級消息可得到迅速發(fā)送。但是由于工業(yè)環(huán)境中普遍存在的電磁干擾，總線(xiàn)上會(huì )有毛刺，CAN總線(xiàn)的標準中已考慮到應對方法?，F在發(fā)現毛刺應對方法可能使節點(diǎn)的同步受到影響，從而損及高優(yōu)先級消息的發(fā)送機會(huì )，出現優(yōu)先級的倒置，動(dòng)搖了CAN總線(xiàn)的基本性能。

1　毛刺的存在

車(chē)內電磁環(huán)境惡劣， ISO 76372/3總結出代表性的傳導和輻射干擾。有人專(zhuān)門(mén)作了輻射干擾的實(shí)驗，參考文獻[7]的實(shí)驗中用24 V蓄電池給車(chē)內常用的繼電器供電（CAN系統供電是獨立的），電源線(xiàn)與CAN電纜靠得很近，在電纜線(xiàn)有屏蔽、線(xiàn)長(cháng)為2 m時(shí)，手動(dòng)開(kāi)關(guān)繼電器時(shí)可以看到CAN波形上疊加的毛刺，輻射干擾實(shí)驗結果如圖1所示。

圖1 輻射干擾實(shí)驗結果

實(shí)際汽車(chē)上也見(jiàn)到CAN總線(xiàn)失效的報告[8]：豐田汽車(chē)在經(jīng)銷(xiāo)商產(chǎn)品報告中確認，由任何原因召回的車(chē)中發(fā)現丟失CAN數據的記錄有292宗。毛刺是引起CAN總線(xiàn)出錯的可能原因，其具體誘發(fā)過(guò)程需要仔細分析，不能掉以輕心。

2　CAN位時(shí)間與消息仲裁原理

CAN總線(xiàn)把位時(shí)間劃分為NBT等分的時(shí)間片，稱(chēng)為T(mén)q。CAN總線(xiàn)控制器按Tq對總線(xiàn)上的差分電平進(jìn)行采樣，以決定內部狀態(tài)。當總線(xiàn)上沒(méi)有通信時(shí)，稱(chēng)為總線(xiàn)空閑，電平差在0~0.5 V，邏輯值為“1”。電平差為0.9 V以上時(shí)邏輯值為“0”。 由圖1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器的特性是線(xiàn)與，當“1”和“0”同時(shí)發(fā)生時(shí)，總線(xiàn)的電平為“0”，這便是仲裁功能。一幀開(kāi)始發(fā)送的第一位是“0“，稱(chēng)為SOF，然后是消息的標識符ID。ID代表了消息的優(yōu)先級，每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)位采樣知道總線(xiàn)上仲裁的結果，正常工作時(shí)如果發(fā)送“1”而讀回“0”，表示本發(fā)送節點(diǎn)本次ID發(fā)送失敗，需等下一次幀發(fā)送機會(huì )。

總線(xiàn)空閑時(shí)，一個(gè)有發(fā)送要求的節點(diǎn)須先觀(guān)察是否有別的節點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)送，如已開(kāi)始就不能發(fā)送。正是這里，由一個(gè)“0”毛刺開(kāi)始的時(shí)段可以誤解為別的節點(diǎn)已開(kāi)始傳送SOF，毛刺阻斷了該節點(diǎn)的發(fā)送（不管該節點(diǎn)要傳送的消息優(yōu)先級有多高）。

由于傳送電纜延遲以及中間器件（如光隔離）的延遲τ，節點(diǎn)將見(jiàn)不到提前量τ以?xún)劝l(fā)送的別的節點(diǎn)的SOF。同理，別的節點(diǎn)要經(jīng)過(guò)τ以后才見(jiàn)到該節點(diǎn)發(fā)送的SOF，τ以后別的節點(diǎn)就因總線(xiàn)上已有發(fā)送而不允許發(fā)送了。這樣，在本節點(diǎn)請求時(shí)刻±τ內的發(fā)送被認為是“同時(shí)”請求發(fā)送，它們將按ID仲裁。對遲于其τ的其他低優(yōu)先級幀的發(fā)送，它也是必然勝出的。

3　CAN位時(shí)間同步的有關(guān)規定

CAN的位時(shí)間分為同步段（Sync）、傳輸段（Tprop）、緩沖1段（Ph1）與緩沖2段（Ph2），位值采樣在Ph1 與Ph2之間。位值變化時(shí)將有跳變沿，只有1/0為同步用的跳變沿。跳變沿決定了相位差e，跳變沿在Ph2內e為負，在Sync內為0，在Tprop和Ph1內為正。每個(gè)節點(diǎn)根據e實(shí)行同步，同步的修正量受同步的種類(lèi)限制。同步分兩種：硬同步與重同步。硬同步對應幀開(kāi)始時(shí)的情況，重同步對應幀內有同步沿時(shí)的情況。對重同步而言，每次的修正量不能大于稱(chēng)為重同步寬度的可預先設定的量SJW，SJW=min(Ph1,Ph2)。

有關(guān)本文討論內容的CAN總線(xiàn)標準為ISO 118981(2003)[9]及ISO 16845(2004)[10]，正是這些條款的規定保證了CAN總線(xiàn)協(xié)議在高度干擾的環(huán)境下能可靠工作。

ISO 118981第10.4.2.2款規定，節點(diǎn)只有在總線(xiàn)空閑時(shí)可以發(fā)SOF，在服務(wù)間隔第3位（I.M.3）的“0”視為SOF。

ISO 118981第12.4.2.1款規定硬同步在幀間的間隔中實(shí)行。而幀間間隔包括服務(wù)間隔和總線(xiàn)空閑，對上次發(fā)送的消極報錯節點(diǎn)還包括禁發(fā)時(shí)間。因此，在I.M.3的跳變沿也是作硬同步用的。

ISO 118981第12.4.2.4款規定，重同步的目的是校正采樣點(diǎn)的位置，e為“+”時(shí)延長(cháng)Ph1，e為“-”時(shí)縮短Ph2。校正量在e小于或等于SJW時(shí)為e，反之為SJW。

ISO 16845第7.7.2款規定了接收節點(diǎn)對SOF的硬同步驗證方法意味著(zhù)同步段SYNC直接同步于1/0跳變沿。

ISO 16845第8.7.2.1款規定了發(fā)送節點(diǎn)在I.M.3位值采樣點(diǎn)前有1/0沿時(shí)的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點(diǎn)前Tq加被測單元內部處理時(shí)間前發(fā)0，要求被測單元在跳變沿1位后發(fā)ID最高位。這意味著(zhù)發(fā)送節點(diǎn)要與I.M.3內1/0跳變沿硬同步，0值被采樣，下一位不再發(fā)SOF而是發(fā)ID最高位。

ISO 16845第8.7.3.1款規定了發(fā)送節點(diǎn)在I.M.3位值采樣點(diǎn)后有1/0沿時(shí)的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點(diǎn)后1個(gè)被測單元內部處理時(shí)間后發(fā)0，要求被測單元在跳變沿后1 Tq立即發(fā)SOF。這意味著(zhù)發(fā)送節點(diǎn)是硬同步，但開(kāi)始發(fā)SOF。

ISO 118981第4.18和4.16款規定了發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)的定義。發(fā)送節點(diǎn)指的是發(fā)數據幀或遠程幀的節點(diǎn)，其狀態(tài)維持到仲裁失敗退出或總線(xiàn)再度空閑，否則就是接收節點(diǎn)。因此總線(xiàn)空閑時(shí)遇到毛刺，則大家都是接收節點(diǎn)。

ISO 16845第7.7.9款規定了接收節點(diǎn)在總線(xiàn)空閑時(shí)對毛刺濾除的驗證方法：要確定對總線(xiàn)空閑時(shí)短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF處理。也就是說(shuō)硬同步后未被采樣到就不算作SOF。