詳解三大總線(xiàn)之CAN總線(xiàn)

3.1 位仲裁

要對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數據時(shí),要求快速地進(jìn)行總線(xiàn)分配。實(shí)時(shí)處理通過(guò)網(wǎng)絡(luò )交換的緊急數據有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量,如汽車(chē)引擎負載,將比類(lèi)似汽車(chē)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(shí)。

CAN總線(xiàn)以報文為單位進(jìn)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(jìn)制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統設計時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€(xiàn)讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。如圖2所示,當幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報文時(shí),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(jìn)行比較時(shí),站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個(gè)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(shí),站3的報文才被丟失。注意,總線(xiàn)中的信號持續跟蹤最后獲得總線(xiàn)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(diǎn)在于,在網(wǎng)絡(luò )最終確定哪一個(gè)站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò )上傳送了。所有未獲得總線(xiàn)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(huì )在總線(xiàn)再次空閑前發(fā)送報文。

CAN具有較高的效率是因為總線(xiàn)僅僅被那些請求總線(xiàn)懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個(gè)系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò )負載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),因為總線(xiàn)讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個(gè)報文中了,這可以保證在實(shí)時(shí)系統中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。

對于主站的可靠性,由于CAN協(xié)議執行非集中化總線(xiàn)控制,所有主要通信,包括總線(xiàn)讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實(shí)現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。

3.2 CAN與其它通信方案的比較

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

CAN實(shí)現總線(xiàn)分配的方法,可保證當不同的站申請總線(xiàn)存取時(shí),明確地進(jìn)行總線(xiàn)分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數據時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò )的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線(xiàn)存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時(shí)總線(xiàn)不被占用。甚至當總線(xiàn)在重負載情況下,以消息內容為優(yōu)先的總線(xiàn)存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線(xiàn)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(lái)處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò )中,如Ethernet,系統往往由于過(guò)載而崩潰,而這種情況在CAN中不會(huì )發(fā)生。

3.3 CAN的報文格式

在總線(xiàn)中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長(cháng)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(chēng)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(chǎng)。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒(méi)有數據字節。

控制場(chǎng)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(gè)保留位 (ro),為將來(lái)擴展使用。它的最后四個(gè)字節用來(lái)指明數據場(chǎng)中數據的長(cháng)度(DLC)。數據場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節,其后有一個(gè)檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

應答場(chǎng)(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(shí)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(wǎng)絡(luò )中至少有一個(gè)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(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線(xiàn)存取,總線(xiàn)將處于空閑狀態(tài)。

3.4 數據錯誤檢測

不同于其它總線(xiàn),CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實(shí)上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)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(guò)CRC可判斷報文是否有錯。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過(guò)位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來(lái)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(guò)明確的應答來(lái)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(shuō),ACK場(chǎng)已損壞或網(wǎng)絡(luò )中的報文無(wú)站接收。CAN協(xié)議也可通過(guò)位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線(xiàn)檢測

有時(shí),CAN中的一個(gè)節點(diǎn)可監測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀(guān)測總線(xiàn)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(chǎn)生。在五個(gè)連續相等位后,發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補的補碼位;接收時(shí),這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如,五個(gè)連續的低電平位后,CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過(guò)這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個(gè)相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。

如果至少有一個(gè)站通過(guò)以上方法探測到 一個(gè)或多個(gè)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(wǎng)絡(luò )上報文的一致性。當大量發(fā)送數據被終止后,發(fā)送站會(huì )自動(dòng)地重新發(fā)送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個(gè)位周期內重新開(kāi)始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合,系統的恢復時(shí)間為31個(gè)位周期。

但這種方法存在一個(gè)問(wèn)題,即一個(gè)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,如果不采取自監測措施,總線(xiàn)系統應采用模塊化設計。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來(lái)的辦法。這種方法可以通過(guò)對出錯站統計評估來(lái)確定一個(gè)站本身的錯誤并進(jìn)入一種不會(huì )對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來(lái)實(shí)現,即站可以通過(guò)關(guān)閉自己來(lái)阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。