節點(diǎn)BusOff恢復過(guò)程分析與測試

總線(xiàn)關(guān)閉（bus off）是CAN節點(diǎn)比較重要的錯誤處理機制。那么，在總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)下，CAN節點(diǎn)的恢復流程是怎樣的？又該如何理解節點(diǎn)恢復流程的“快恢復”和“慢恢復”機制？本文將為大家詳細分析總線(xiàn)關(guān)閉及恢復的機制和原理。

圖1節點(diǎn)狀態(tài)轉換圖情形1

一、 故障界定與總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)

為了避免某個(gè)設備因為自身原因（例如硬件損壞）導致無(wú)法正確收發(fā)報文而不斷的破壞總線(xiàn)的數據幀，從而影響其它正常節點(diǎn)通信，CAN網(wǎng)絡(luò )具有嚴格的錯誤診斷功能，CAN通用規范中規定每個(gè)CAN控制器中有一個(gè)發(fā)送錯誤計數器和一個(gè)接收錯誤計數器。根據計數值不同，節點(diǎn)會(huì )處于不同的錯誤狀態(tài)，并根據計數值的變化進(jìn)行狀態(tài)轉換，狀態(tài)轉換如下圖所示。

以上三種錯誤狀態(tài)表示發(fā)生故障的嚴重程度，總線(xiàn)關(guān)閉是節點(diǎn)最嚴重的錯誤狀態(tài)。并且，節點(diǎn)在不同的狀態(tài)下具有不同的特性，在總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)下，節點(diǎn)不能發(fā)送報文或應答總線(xiàn)上的報文，也就意味著(zhù)不能再對總線(xiàn)有任何影響。

狀態(tài)跳轉和錯誤計數的規則使得節點(diǎn)在發(fā)生通信故障時(shí)有了較好的自我錯誤處理和恢復機制，從一種較嚴重的錯誤狀態(tài)跳轉到另一種嚴重性相對較低的狀態(tài)，本質(zhì)上就是一種恢復過(guò)程。圖1所呈現的轉換過(guò)程是CAN通用規范所要求的，我們從設備供應商買(mǎi)回來(lái)的CAN控制器已經(jīng)把這些功能固化在硅片之中。

在通信過(guò)程中，錯誤主動(dòng)和錯誤被動(dòng)兩種狀態(tài)下節點(diǎn)的恢復過(guò)程一般不需要MCU進(jìn)行額外的編程處理，直接使用CAN控制器固有功能即可。但對于總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，往往不直接使用CAN控制器固有的恢復過(guò)程，而是對其進(jìn)行編程控制，以實(shí)現“快恢復”和“慢恢復”機制。

圖2 節點(diǎn)狀態(tài)轉換圖情形2

注：

1、由于篇幅有限，關(guān)于錯誤計數的詳細規則以及各狀態(tài)下節點(diǎn)的具體特性不在本文進(jìn)行討論，讀者可以查閱CAN的相關(guān)協(xié)議規范。

2、本文的“CAN控制器”是指已經(jīng)實(shí)現了CAN通用協(xié)議物理層和數據鏈路層所要求的功能和特性的器件，如SJA1000；而“節點(diǎn)”是指把CAN控制器與MCU、收發(fā)器等相關(guān)器件進(jìn)行整合開(kāi)發(fā)出來(lái)的具有一定功能的CAN節點(diǎn)。

圖3 節點(diǎn)狀態(tài)轉換圖情形3

二、 為什么需要對總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)的節點(diǎn)實(shí)現“快恢復”和“慢恢復”策略？

當節點(diǎn)進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)后，如果MCU僅是開(kāi)啟自動(dòng)恢復功能，CAN控制器在檢測到128次11個(gè)連續的隱性位后即可恢復通信，在實(shí)際的CAN通信總線(xiàn)中，這一條件是很容易達到的。以125K的波特率為例，128*11*（1/125000）= 0.011264s。這意味著(zhù)如果節點(diǎn)所在的CAN總線(xiàn)的幀間隔時(shí)間大于0.011264s，節點(diǎn)在總線(xiàn)空閑時(shí)間內便可輕易恢復通信。我們已經(jīng)知道，當進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，節點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了嚴重的錯誤，處于不可信狀態(tài)，如果迅速恢復參與總線(xiàn)通信，具有較高的風(fēng)險，因此，在實(shí)際的應用中，往往會(huì )通過(guò)MCU對CAN控制器總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)的恢復過(guò)程進(jìn)行編程處理，以控制節點(diǎn)從總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)恢復到錯誤主動(dòng)狀態(tài)的等待時(shí)間，達到既提高靈活性又保證節點(diǎn)在功能上的快速響應性的目的。具體包括“快恢復”和“慢恢復”策略，兩種策略一般同時(shí)應用。

通過(guò)以上的討論，我們可以知道，節點(diǎn)進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)后，存在以下幾種恢復情況：

（1）MCU僅開(kāi)啟CAN控制器的自動(dòng)恢復功能，節點(diǎn)只需檢測到128次11個(gè)連續的隱性位便可以恢復通信，恢復過(guò)程如圖1所示。

（2）MCU沒(méi)有開(kāi)啟CAN控制器的自動(dòng)恢復功能，也不主動(dòng)干預總線(xiàn)關(guān)閉錯誤，節點(diǎn)將一直無(wú)法“自動(dòng)”恢復總線(xiàn)通信，只能通過(guò)重新上電的方式使節點(diǎn)恢復, 恢復過(guò)程如圖2所示。

（3）MCU對CAN控制器的恢復過(guò)程進(jìn)行編程處理，這時(shí)，節點(diǎn)的恢復行為由具體的編程邏輯決定，各廠(chǎng)家普遍采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復策略，恢復過(guò)程如圖3所示。

圖4  MCU實(shí)現總線(xiàn)關(guān)閉恢復流程

三、MCU如何實(shí)現“快恢復”和“慢恢復”？

MCU編程實(shí)現總線(xiàn)關(guān)閉“快恢復”和“慢恢復”的一般過(guò)程可用以下流程圖描述：

節點(diǎn)以正常發(fā)送模式發(fā)送報文的過(guò)程中，如果出現了發(fā)送錯誤，發(fā)送錯誤計數會(huì )增加，只要發(fā)送錯誤計數沒(méi)有超過(guò)255， CAN控制器便會(huì )自動(dòng)重發(fā)報文，如果出現多次發(fā)送錯誤，使發(fā)送錯誤計數累加超過(guò)255，則節點(diǎn)跳轉為總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)。MCU能夠第一時(shí)間知道節點(diǎn)進(jìn)入了總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)（例如在錯誤中斷處理邏輯中查詢(xún)狀態(tài)寄存器的相應位），這時(shí)MCU控制CAN控制器進(jìn)入“快恢復”過(guò)程，即控制CAN控制器停止報文收發(fā)，并進(jìn)行等待，計時(shí)達到需要的時(shí)間T1（如100ms）后，MCU重新啟動(dòng)恢復CAN控制器參與總線(xiàn)通信，這樣便完成了一次“快恢復”過(guò)程。

節點(diǎn)每進(jìn)入一次“快恢復”過(guò)程時(shí)，MCU會(huì )對此進(jìn)行計數，當節點(diǎn)“快恢復”計數達到設定的值N（如5次），則后續再次進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)MCU把恢復總線(xiàn)通信的等待時(shí)間T2進(jìn)行延長(cháng)（如1000ms），這樣便實(shí)現了“慢恢復”過(guò)程?！翱旎謴汀焙汀奥謴汀边^(guò)程的主要區別就在于恢復節點(diǎn)參與總線(xiàn)通信的等待時(shí)間的不同。

 通過(guò)MCU對于總線(xiàn)關(guān)閉后的恢復行為進(jìn)行編程控制，實(shí)際上是對CAN控制器的錯誤管理和恢復機制進(jìn)行了補充，使得總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)后的恢復過(guò)程更加靈活，更能適應實(shí)際應用的需要。對于 “快恢復”和“慢恢復”的等待時(shí)間，以及“快恢復”計數多少次后進(jìn)入“慢恢復”過(guò)程，不同廠(chǎng)家可根據具體的需求進(jìn)行編程實(shí)現。

圖5 功能設置

四、 實(shí)測總線(xiàn)關(guān)閉恢復過(guò)程

通過(guò)廣州致遠電子有限公司的CAN總線(xiàn)分析儀的流量分析功能，可以很方便分析總線(xiàn)關(guān)閉后節點(diǎn)的恢復過(guò)程及測試“快恢復”和“慢恢復”的恢復時(shí)間。

第一步，連接DUT但先不要上電。按以下配置，使能接收干擾功能，并開(kāi)啟報文讀取功能。

第二步，給DUT上電，并采集一段時(shí)間報文，停止采集后使用流量分析功能進(jìn)行分析。

第三步，鼠標放置于波形“團”（本文把包含多幀密集幀的波形稱(chēng)為波形“團”）之間讀取恢復時(shí)間。

圖6 采集報文并進(jìn)行流量分析

至此，我們便可以得出結論：該DUT對總線(xiàn)關(guān)閉的恢復過(guò)程進(jìn)行了編程控制，采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復機制，節點(diǎn)進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)后，進(jìn)行一次“快恢復”過(guò)程，后續進(jìn)行“慢恢復”過(guò)程，兩個(gè)恢復過(guò)程的恢復時(shí)間分別為27.5ms和209.5ms。

那么，我們該如何根據所得波形理解該DUT進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)及恢復通信的整個(gè)過(guò)程呢？

把第一個(gè)波形“團”放大得到下圖：（圖8）

可以清晰的看到，波形“團”中包含共32幀CAN報文。把其余各波形“團”放大后也都是包含32幀，這里不再把詳細的圖片貼出來(lái)。

DUT上電后，初始發(fā)送和接收錯誤計數都為0。由于在測試時(shí)配置了接收干擾功能，當DUT開(kāi)始發(fā)送報文后，每一幀報文都受到CAN總線(xiàn)分析儀的干擾而出現發(fā)送錯誤，第一次發(fā)送時(shí)發(fā)送錯誤計數加8，并自動(dòng)重發(fā)，第二次發(fā)送時(shí)錯誤計數再加8，直到發(fā)送了32次后，發(fā)送錯誤計數大于255，根據圖3的錯誤狀態(tài)的轉換規則，這時(shí)DUT跳轉為總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，MCU控制進(jìn)入“快恢復”過(guò)程同時(shí)對“快恢復”次數進(jìn)行計數，并等待約27ms后，MCU控制DUT從總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)恢復為錯誤主動(dòng)狀態(tài)，由MCU繼續啟動(dòng)發(fā)送，由于仍然受CAN總線(xiàn)分析儀的持續干擾，發(fā)送32幀后再次進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，再次執行“快恢復”或“慢恢復”過(guò)程，以此類(lèi)推。

根據流量分析的結果可知，該DUT進(jìn)入“快恢復”的計數達到1次后便執行“慢恢復”過(guò)程，“慢恢復”等待時(shí)間約為209ms。

圖7 讀取恢復時(shí)間

注：

1、干擾的設置可以根據需要設置其他的參數，只要保證能對DUT發(fā)送的幀進(jìn)行干擾使其出現發(fā)送錯誤即可。

2、為了分析完整的總線(xiàn)關(guān)閉恢復過(guò)程，建議DUT和CAN總線(xiàn)分析儀連接好后，先開(kāi)啟“報文讀取”和“接收干擾”功能后再上電DUT。因為這樣能確保DUT的接收錯誤計數和發(fā)送錯誤計數的初始計數都為0。

3、需要對DUT進(jìn)行連續的干擾，否則DUT恢復后成功發(fā)送了報文，“快恢復”次數的計數會(huì )遞減，這不利于分析DUT總線(xiàn)關(guān)閉后的整個(gè)恢復行為。 

4、總線(xiàn)關(guān)閉后節點(diǎn)的“恢復”是指恢復參與總線(xiàn)的通信，但并不意味著(zhù)恢復后一定能成功發(fā)送或接收報文。如上述案例，DUT恢復通信后由于仍然受CAN總線(xiàn)分析儀的干擾，導致報文發(fā)送再次失敗。

圖8 放大波形“團”觀(guān)察

總結：

在總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)下，“快恢復”和“慢恢復”不是CAN控制器固有的功能，而是通過(guò)MCU的編程邏輯實(shí)現的恢復機制，是總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)下恢復過(guò)程的補充，使恢復過(guò)程更具有靈活性。