CAN優(yōu)先級倒置原因與對策分析

圖2　總線(xiàn)空閑時(shí)毛刺引起優(yōu)先級倒置

圖3　估計倒置的概率用圖

圖4　在I.M.3中的毛刺引起優(yōu)先級倒置

現在對出現優(yōu)先級倒置的概率作初步分析。估計倒置的概率用圖如圖3所示。tG為毛刺發(fā)生時(shí)刻，tH為高優(yōu)先級消息請求時(shí)刻，tL為低優(yōu)先級消息請求時(shí)刻。如果tH發(fā)生在tG之后、該位的采樣點(diǎn)前，tL也在采樣點(diǎn)前到達，那么tH的請求將無(wú)法獲得參與競爭的機會(huì )。這件事的概率為Pa。Pa與誤碼率有關(guān)，毛刺被采到會(huì )有誤碼。假定位時(shí)間為1 μs，毛刺寬度為0.2 μs，采到機會(huì )便是20%，也就是說(shuō)毛刺概率在1位時(shí)間內為誤碼率的5倍，考慮到毛刺有0毛刺與1毛刺2種，只有0毛刺會(huì )引起假的硬同步，再考慮到考察的時(shí)段為T(mén)prop+Ph1，而不是1位，所以保守估計Pa為誤碼率的2倍。但是Pa不是因毛刺而引起倒置的概率，其中還包括了tL請求確實(shí)早于tH請求τ的部分，這部分用Pb表示。Pb=（tH-tG-τ）/（tH-tG），當（tH-tG）=τ時(shí)扣除部分Pb=0。所以最壞情況下沒(méi)有扣除，優(yōu)先級消息倒置的概率近似為誤碼率的2倍。

4.2　I.M.3內毛刺引起的倒置

在上一幀認可位（ACK）“0”的重同步下，H、L兩個(gè)節點(diǎn)的位時(shí)間會(huì )有相位差τ，L超前時(shí)τ的大小對分析并無(wú)影響。當節點(diǎn)H、L均有掛起待發(fā)的消息時(shí)，按ISO 118981 10.4.2.2規定，它們應在I.M.3后一位開(kāi)始發(fā)SOF，并進(jìn)行競爭。若H節點(diǎn)由于局部錯，在I.M.3位值采樣點(diǎn)前有毛刺，按ISO 16845 8.7.2款，H將作硬同步，位值采樣點(diǎn)的移動(dòng)使它可以見(jiàn)到L所發(fā)的SOF（如圖4所示），其條件是e>Ph2。由于在I.M.3內讀到SOF，H將在下一位開(kāi)始發(fā)它的IDH最高位。假定H的IDH=“01***”，L的IDL=“10***”，H的ID11H=0經(jīng)τ后傳到L，與L的SOF部分重合，并延續到L的ID10L位，當毛刺發(fā)生的e滿(mǎn)足NBT-(2τ+e)>Ph2時(shí)，L不會(huì )采到H的ID11H，所以它不會(huì )退出。位時(shí)間設計時(shí)NBT=SYNC+Tprop+Ph1+Ph2，Tprop≥2τ，故上式在e＜SYNC+Tprop-2τ+Ph1時(shí)能滿(mǎn)足，即0＜e-Ph2＜SYNC+Tprop-2τ+Ph1-Ph2。一般Ph1=Ph2，或者Ph1=Ph2+1，當節點(diǎn)靠得較近時(shí)τ比較小，e有較大的范圍可同時(shí)滿(mǎn)足該式。而L發(fā)的ID10L=0經(jīng)τ后到達H，當e>Ph2時(shí)成為H的ID10H中的同步沿，并被H采樣到，H便仲裁失敗退出，形成優(yōu)先級倒置。

此種倒置的概率的估計比較復雜，需要進(jìn)一步研究。

5　解決方案

5.1　總線(xiàn)空閑時(shí)的硬同步抗毛刺措施

接收節點(diǎn)在總線(xiàn)空閑時(shí)檢查到1/0跳變沿就作硬同步，然后再每Tq繼續采樣。如在位值采樣點(diǎn)前發(fā)現有1，則認為總線(xiàn)恢復到空閑狀態(tài)。如其間已有本節點(diǎn)的發(fā)送請求，就在查到1的下一Tq開(kāi)始本節點(diǎn)的發(fā)送。這樣，本節點(diǎn)的發(fā)送被推遲了毛刺寬度對應的時(shí)間，但是也確保本節點(diǎn)發(fā)送前沒(méi)有其他節點(diǎn)已開(kāi)始傳送，所以不會(huì )有優(yōu)先級倒置。

這種方法沒(méi)有解決毛刺較寬、一直延續到別的節點(diǎn)的SOF到達的情況。此時(shí)本節點(diǎn)仍然因無(wú)發(fā)送而出現優(yōu)先級倒置。

5.2　I.M.3內硬同步抗毛刺措施

I.M.3內位值采樣點(diǎn)前出現毛刺引起硬同步，本節點(diǎn)也繼續采樣總線(xiàn)。有“1”時(shí)后繼判斷比較困難，因為硬同步后再遇到“0”的時(shí)刻不確定，可能是別的節點(diǎn)發(fā)的SOF在原I.M.3位值采樣點(diǎn)前收到，也可能在I.M.3原位值采樣點(diǎn)后收到，還可能又是毛刺。所以，為處理簡(jiǎn)化起見(jiàn)，有掛起待發(fā)幀的本節點(diǎn)發(fā)送超載幀。通過(guò)報超載，超載幀結束后總線(xiàn)回到空閑狀態(tài)，重新實(shí)現同步。

這種方法也沒(méi)有解決毛刺較寬、一直延續到別的節點(diǎn)的SOF到達的情況。此時(shí)本節點(diǎn)仍然因無(wú)發(fā)送而出現優(yōu)先級倒置。

6　小結

毛刺濾除和幀開(kāi)始時(shí)刻的硬同步是為保障通信正常的兩個(gè)不同側面的要求，在現有CAN總線(xiàn)協(xié)議的設計中出現了沖突，造成在某種特定情境下出現優(yōu)先級倒置。由于毛刺引起優(yōu)先級倒置的危害性與具體應用的種類(lèi)有關(guān)，一般地說(shuō)，系統設計時(shí)已盡量防止毛刺的干擾，毛刺發(fā)生的概率已比較小，發(fā)生在特定位置就更小。

在優(yōu)先級倒置的情況下，可能下一次競爭就不會(huì )發(fā)生倒置，做最壞送達時(shí)間分析時(shí)[6]，可以將低優(yōu)先級的阻斷加倍來(lái)加以分析。

但是也可能在下一次競爭時(shí)仍發(fā)生倒置。在車(chē)輛安全認證分析時(shí)，需要確定倒置引起的的每小時(shí)的故障率，這使分析需要引入誤碼率的假設，需要進(jìn)一步的工作。

本文提出了在完全兼容CAN總線(xiàn)的條件下的改進(jìn)方案，但方案只是局部有效，根本的改進(jìn)可能無(wú)法達到完全兼容。