全面了解CAN總線(一)

1、10799修改稿2008-7-14CAN總線的抗干擾能力 楊福宇 2008-4-27 EDisturbance reject design of CAN bus by Fuyu Yang摘要：本文通過對RS485、CAN與FlexRay協(xié)議中有關(guān)抗干擾能力的指標(biāo)的比較與分析，說明CAN總線在抗干擾設(shè)計上有獨到之處：在物理層上總線信號的二值性以及發(fā)生競爭時結(jié)果的唯一性，使總線有高的抗干擾信號閾值并在出錯時可及時發(fā)現(xiàn)錯；在數(shù)據(jù)鏈路層上設(shè)計有出錯時的報錯幀發(fā)送以及出錯自動重發(fā)功能，保證了總線上數(shù)據(jù)的一致性以及毋須應(yīng)用層參預(yù)的糾錯能力。這些特點使CAN總線在環(huán)境惡劣的應(yīng)用場合有著明顯的優(yōu)勢。CAN總線

2、經(jīng)近20年的發(fā)展已步入壯年期，它不僅在汽車上的應(yīng)用占了壓倒優(yōu)勢，在其它工業(yè)應(yīng)用上也生機勃勃，枝繁葉茂，究竟是什么原因使它這么成功？當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)它的局限，又有新的總線例如FlexRay在挑戰(zhàn)時，它的榮耀還能持續(xù)多久？這些問題都離不開對通信技術(shù)本質(zhì)的理解，對CAN總線特性的分析與理解。通信技術(shù)的不斷進步離不開應(yīng)用對帶寬與抗干擾的追求，又要快又要正確，當(dāng)然關(guān)鍵點是適合當(dāng)前需求的最佳性價比的技術(shù)。沒有這些追求，可能我們會一直停留在RS232的標(biāo)準(zhǔn)上。當(dāng)今CAN的競爭對手前有以RS485為物理層的總線，后有FlexRay，這種形勢下 CAN總線的生命力在于它的優(yōu)越的抗干擾能力與性價比，這些都來源于它獨特的

3、物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計。1 物理層1,2,31.1 信號狀態(tài)CAN總線的信號狀態(tài)為二種：隱位與顯位。當(dāng)總線上出現(xiàn)同時有隱位與顯位發(fā)送的競爭時，總線上的最終結(jié)果是顯位。這種二值特性對CAN總線的可靠性與其它特性有很大貢獻。作為對比，以EIA-485(即RS-485)為例，它有“0”，“1”以及“高阻”三種狀態(tài)，當(dāng)所有節(jié)點都不發(fā)送的空閑狀態(tài)時，“高阻”使總線電平處于“0”-“1”之間的不定狀態(tài)。在干擾影響下，錯誤可能是局部性的，有的接收節(jié)點會誤以為新幀的開始，例如在其上運行以UART為基礎(chǔ)的協(xié)議時，“0”被視為新Byte的起始位。等到發(fā)現(xiàn)錯而復(fù)位到空閑狀態(tài)時，可能已經(jīng)與其它節(jié)點不同步，因為其它節(jié)

4、點可能并未發(fā)現(xiàn)這個“0”。為了解決這個問題，485總線往往采用外加上拉與下拉電阻，使發(fā)送節(jié)點在高阻狀態(tài)時，總線上保持確定的“1”電平。但是這種辦法降低了節(jié)點的負載能力。CAN總線信號的二值且“單穩(wěn)態(tài)”的特性為它的數(shù)據(jù)鏈路層創(chuàng)造了條件，即CAN總線上可以容許多主發(fā)送，競爭占線的方式。這極大簡化了消息的調(diào)度。為使總線上的節(jié)點均有機會發(fā)送，有些總線采用主從方式，主節(jié)點用查詢來讓從節(jié)點有發(fā)送機會，這種方法使總線的利用率較低，從節(jié)點消息發(fā)送的等待時間較長。有些總線采用令牌方式，令牌的丟失和重復(fù)也需要特別的處理機制。許多總線是不容許總線上有沖突的，因為發(fā)生沖突后，不同的接收節(jié)點得到的電平結(jié)果是不同的，使它

5、們對總線上發(fā)生的事在時間上與內(nèi)容上產(chǎn)生不同的解釋，退出沖突就會有時間的先后，形成節(jié)點間狀態(tài)的不同步。但是由于干擾，節(jié)點可能會有誤動作，會發(fā)生不希望的沖突。為此，要加需多輔助的設(shè)備來防止沖突，例如在時間觸發(fā)協(xié)議中經(jīng)常采用的總線監(jiān)守（bus guardian）。在CAN總線里，沖突的處理由于該信號的二值且“單穩(wěn)態(tài)”的特性變?yōu)楹芎唵?，報錯幀可以使所有節(jié)點（包括發(fā)生沖突的節(jié)點）很容易地取得數(shù)據(jù)的一致性和節(jié)點狀態(tài)的同步。FlexRay總線的狀態(tài)有低功耗閑置、閑置、“0”、“1”四種，在正常工作模式時，總線接收部分只認后三種狀態(tài)。與RS485不同的是FlexRay收發(fā)器有一個判斷閑置狀態(tài)的機制。當(dāng)總線電平

6、差處于某范圍內(nèi)（ uBusActiveLow（最小-450mv）uBusActiveHigh（最大450mv）一段時間(dIdleDetection（最小50ns最大250ns)后，它就將RxEN引腳置”1”，并將RxD置”1”。當(dāng)總線電平超出該范圍以段時間（dActivityDetection(最小100ns最大300ns)）后，就退出閑置狀態(tài)。因此它不會在閑置狀態(tài)受干擾而輕易地誤判為新幀的開始。而總線上因干擾而引起沖突的情形由另設(shè)的總線監(jiān)守加以防止。當(dāng)然這些功能的添加意味著成本的增加。1.2 信號電平與共模電壓信號電平的大小有二層影響，一是閑置時有干擾被誤認為傳送的啟動信號，二是傳送邏輯信

7、號時因干擾而產(chǎn)生誤碼。RS485接收器的閾值很小，總線電壓差小于-200mv時為“0“，大于200mv時為“1“。因此200mv幅度的干擾就可能引起誤啟動。而造成誤碼的干擾幅度為400mv。RS485總線的共模電壓為-7+12v。CAN只有二種狀態(tài)，當(dāng)總線電壓差小于0.5v時接收為隱位（即邏輯“1”），大于0.9v時為顯位（即邏輯“0”總線隱位電壓差的正常值為0v，因此可能引起誤起動的最小干擾為0.5v。顯位電壓差的正常值為2.0v，合格的網(wǎng)絡(luò)顯位電壓差的最小值為1.2v，引起誤碼的最小干擾為0.3v。CAN總線的共模電壓為-2+7v。前面已介紹了FlexRay總線在總線閑置與正常通信的過渡情

8、況，不再重復(fù)。它的接收器邏輯1電平為uData-1（最小150mv，最大300mv），邏輯0電平為uData-0（最小-300mv，最大-150mv）。因此引起誤碼的最小干擾為0.3v。FlexRay總線的共模電壓為-10+15v。在正常通信時，由于驅(qū)動器內(nèi)已經(jīng)有了導(dǎo)通的門，總線的特征阻抗與該門的低內(nèi)阻并聯(lián)，要在總線上造成0.3v的干擾需要的干擾源的幅度遠大于總線閑置時在總線上造成0.3v干擾所需的值，所以這個值比485時小并不代表不安全。總的來說，F(xiàn)lexRay總線共模電壓的提高代表它比CAN好，當(dāng)然CAN也可在電源線路上加些措施，以應(yīng)對未來車用電池電源的提高。1.3 采樣采用485收發(fā)器的

9、總線往往與UART相連，它們一般在起動電平負跳變后的1/2bit處對總線的邏輯值作采樣判斷。因此如總線在閑置時，如干擾的幅度足夠大，持續(xù)時間大于1/2bit，就可能產(chǎn)生誤起動。CAN總線的位值一般在8090%bit處采樣5，因此它容忍的誤起動干擾不但幅度大，時間也長。正常傳送時，高速CAN的位采樣為1次，低速時可以有3次（例如TJA1000中由SAM位控制），這意味著可以抵御1次干擾引起的錯誤，因沒有看到這三次采樣的間隔有多大，只能估計它是以Tq為單位。高速時實現(xiàn)三次采樣的可能性在于廠家產(chǎn)品的設(shè)計，與CAN標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)，如果以1Mbps計，每Bit分為25Tq，那么在三次采樣下，可以抵御的干擾持續(xù)

10、時間為40ns。FlexRay總線容許的誤起動時間與位采樣點位置無關(guān)，由dActivityDetection決定，最小100ns。正常傳送時，根據(jù)FlexRay數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)定，每一Bit采樣cSamplesPerBit(=8)次，將最近的cVotingSamples(=5)次按多數(shù)進行表決，得到當(dāng)時的總線接收值(zVotedVal)。因此這種方法可以抵御1/4Bit長的干擾，按FlexRay10 Mbps計算，抵御的干擾持續(xù)時間為25ns。2 媒體存取與邏輯鏈路層242.1 位填充CAN總線的位填充是發(fā)展了以前的位填充做法的。在高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程（HDLC）中用（01111110）作報頭與

11、報尾的標(biāo)志位，在其它部分為了不致引起誤解，采用每連續(xù)5個“1“之后填入一個“0“的辦法，接收后將填入的0去掉。CAN不僅連續(xù)5個“1“之后填入一個“0“，而且在5個“0“之后填入一個“1”，接收后將填入位丟掉。CAN這樣做不僅為它的報錯機制（報錯幀）創(chuàng)造了條件，而且還有二個對信號傳遞有利的方面：a，為CAN的位同步創(chuàng)造了較短的同步間隔，有利于提高同步精確度；b，有利于在總線上引入適時的反向放電，減少因總線長期同一極性充電造成物理層誤判。但是位填充方法減弱了CAN的CRC防止錯誤漏檢的能力 6。發(fā)生在填充位的錯誤會改變位流的相位，只要有二次填充位錯就使原來的部分位流提前或推后一位，而此時仍有CR

12、C檢查通過的可能。6通過仿真方法注入位錯，求出CRC檢查漏檢出錯的概率為1.3*10-7，而不是CAN聲稱的所有5位以下的錯均能檢出。位填充的另一個缺點是造成數(shù)據(jù)輸送率的下降以及幀長度的不確定性。FlexRay沒有用位填充的方法，它用其它方法實現(xiàn)位同步。2.2 幀編碼與解碼CAN的幀已有大量文獻介紹，這里不再重復(fù)。FlexRay則復(fù)雜得多，其中對用戶安排帶寬有關(guān)鍵作用的是擴展字節(jié)概念。根據(jù)FlexRay數(shù)據(jù)鏈路層3.2.1.1.3的規(guī)定，每一個字節(jié)開始處要有一個“1”和“0”的字節(jié)開始序列BSS（Byte start sequence）,然后才是要傳送的8 Bit數(shù)據(jù)。FlexRay容許的最大

13、的時鐘變化cClockDeviationMax為1500ppm (0.15%)，因此收發(fā)之間可能差0.3%，每333次就可能差1次采樣，如前所述，1Bit要采樣8次的話，僅44 Bit不到就會差一次采樣，因此除了時鐘本身的偏移與速率要校正外，F(xiàn)lexRay中也有位同步的機制。位同步有二個條件：同步機制已使能；zVotedVal有high到low的跳變。正常傳送時，同步機制的使能發(fā)生在BSS的zVotedVal為high時。當(dāng)同步時，將保存zVotedVal的cSamplesPerBit位循環(huán)計數(shù)器置2，當(dāng)循環(huán)計數(shù)器計數(shù)為cStrobeOffset(=5)時，將該zVotedVal取作真正送到協(xié)

14、議其它部分的位值?？紤]到為了位同步必須有BSS這個因素，一個FlexRay信道不算其它開銷至多只能傳送8 Mbps的實際數(shù)據(jù)，加上其它的開銷，例如發(fā)送幀之間的間隔cChannelIdleDelimiter(=11bit)等，有效的負載更小。2.3 回讀CAN總線發(fā)送節(jié)點在送出一個Bit時又把它從總線上讀回來，其它總線沒有這個功能。這個功能提供了無損位仲裁的基礎(chǔ)，讓優(yōu)先級高的消息獲得總線上繼續(xù)傳送的權(quán)力。同時它增加了發(fā)送節(jié)點早一點檢測出錯誤的能力，一旦有錯就可發(fā)報錯幀并停止原來幀的傳送，節(jié)省了出錯后無用部分的繼續(xù)傳送帶寬。2.4 錯誤約束CAN總線對錯誤的檢測主要是編碼與解碼的過程，例如Bit錯

15、、填充錯、ACK錯、CRC錯和格式錯。對于時間同步并未視為重要問題，例如當(dāng)重同步誤差大于重同步跳躍寬度時，肯定會出現(xiàn)位同步的失敗，造成數(shù)據(jù)傳送的錯誤。這種錯誤會被誤認為是由其它原因引起，而不能及時發(fā)現(xiàn)。有時候它也成為Babbling idiot失效的原因。CAN對瞬態(tài)故障與永久性故障進行分類的約束辦法，有錯時收發(fā)錯計數(shù)器增加快，正常時收發(fā)錯計數(shù)器減少慢，按收發(fā)錯計數(shù)器的值把節(jié)點分為主動報錯狀態(tài)、消極報錯狀態(tài)和離線狀態(tài)。處于消極報錯狀態(tài)的節(jié)點有可能不能正確收到幀。出錯過頻時把有永久性故障傾向的節(jié)點從總線上切除，雖然被切除的節(jié)點丟失了通信能力，但其它節(jié)點間的通信可能免除了騷擾，這不失為一種有效的故

16、障時性能逐步退化的策略（scalable degradation）。FlexRay 的檢錯包括解碼過程的錯以及時間同步過程中的錯。例如數(shù)據(jù)幀接收時是否有格式錯、CRC錯。符號(Symbol)傳送時“high”、”low”的時間長是否在范圍內(nèi)。由于是時間觸發(fā)協(xié)議，通過各分散的節(jié)點預(yù)定發(fā)送時間與實際發(fā)送時間的差進行修正，建立同步時基，對發(fā)送時間的超限要求更嚴(yán)。它對時間同步中產(chǎn)生的問題也采取了一種逐步退化的策略。它有一個協(xié)議運行控制的機制(POC)，POC有三個狀態(tài)：POC: normal active（積極）; POC: normal passive（消極）和POC: halt（停止）。其中積極狀

17、態(tài)時同步處于容許界限內(nèi)，不會破壞其它節(jié)點的同步。消極狀態(tài)時它的同步已惡化到不能再發(fā)送的地步，若再發(fā)送就有可能超出它的窗口而與其它節(jié)點沖突，但它容許接收，以取得足夠的同步重返積極狀態(tài)。在自檢或完好性檢查(sanity check)未通過，或由POC與其它核心機制發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重錯，或host檢到錯給出命令的情況下POC會進入停止?fàn)顟B(tài)，此時只有重新初始化了。從上面的簡述可見在保證所有節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性上，二者都是要靠其它措施的，而這些可能的措施（例如組籍算法membership algorithm）都有待討論，對錯誤的約束僅限于逐步退化的策略。2.5 幀出錯率總線傳送中的出錯來源于各種干擾，除了前面分析的信

18、號電平，采樣過程，共模電壓以外，來自電源的傳導(dǎo)干擾也可能使通信控制器工作異常而通信失效，所以不能僅以物理層的一些指標(biāo)作完整的判斷。幀的出錯概率對應(yīng)用有很大影響，它涉及出錯以后該怎么辦的問題。幀的出錯概率與幀長成比例關(guān)系， CAN2.0A的最大幀長為133Bit，F(xiàn)lexRay的最大幀長為2625Bit（254”byte”數(shù)據(jù)+8”byte”開銷+5start/stop bit），假設(shè)二者的誤碼率相同，那么FlexRay的幀出錯率PF要比CAN的(PC)大約20倍，PF=20PC。雖然FlexRay幀可傳送的數(shù)據(jù)多得多，但是一個幀錯了，其中的消息全部不能利用，這種消息捆綁在一起的特性，大大增加了

19、出錯的機會。如果將FlexRay像CAN那樣傳送短幀，那么幀的效率會比CAN還低，存放靜態(tài)段調(diào)度表的硬件部分要加大。如果將來由于ECU內(nèi)處理器更強大，一個節(jié)點發(fā)送的消息更多，這種長幀有用途，但是出錯概率的增大仍是缺點。順便說一句，用長幀傳短的消息就涉及消息在幀內(nèi)的編排方法，這種靈活性必然要求有高級通信層的統(tǒng)一約束，否則會帶來修理、供貨、管理上的不便與成本的提高，這可能是漫長的路，在統(tǒng)一之前仍然是各汽車廠專用的封閉的高層協(xié)議，幾乎沒有留給外人插足的空楔。3 與FlexRay的比較3.1 單信道應(yīng)用CAN的出錯自動重發(fā)是它的一大特點。FlexRay協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括總線方式，但是用二個信道還是

20、一個與性能和成本關(guān)系很大。FlexRay的設(shè)計是用二個信道同時傳送，來保證傳送的正確性，因為它不像CAN有出錯重發(fā)的功能。二個通道同時出錯的概率比較小，不考慮出錯重發(fā)時丟幀也不會多。如果考慮二個信道同時錯而要求重發(fā)，必須在應(yīng)用層處理，在動態(tài)時隙中傳送請求與重發(fā)，不是一件容易的事，也推遲了送達時間。如果FlexRay只用一個信道來完成這件事，出錯概率大，為了簡化應(yīng)用可以采用重復(fù)傳送的方法，即時間冗余，在二次或多次傳送中只要有一次成功便可。但是這樣做相當(dāng)于把FlexRay的帶寬降了下來，例如為名義上的1/2或1/3。但是這并不是講二個信道時吞吐量僅10M或更小，因為可以用其中一個信道安排較多的動態(tài)

21、段用于出錯消息的重發(fā)請求與重發(fā)，即僅傳送出錯的部分。3.2 安全攸關(guān)應(yīng)用的額外要求對FlexRay這樣的時間觸發(fā)通信協(xié)議，其錯誤約束機制中已盡量考慮了各種可能的出錯情況，防止一個節(jié)點的發(fā)送超出預(yù)定給它的時間窗口，為了提高防錯的能力，另外設(shè)計了總線監(jiān)守?？偩€監(jiān)守有它自己的時鐘線路和與節(jié)點發(fā)送的調(diào)度表，它控制該節(jié)點的總線驅(qū)動器，僅在容許的時間窗口里讓總線驅(qū)動器工作，其它它都不管，這種機制給防止沖突構(gòu)成了雙保險。但是它增加了系統(tǒng)的成本，所以把它作為選件。在FlexRay中有二種總線監(jiān)守，一種是本地總線監(jiān)守，即與節(jié)點靠近的地方，甚至是可以做在同一硅片上的總線監(jiān)守，另一種是遠方的星型耦合器中的集中式總線

22、監(jiān)守，在總線式應(yīng)用中有關(guān)的是本地總線監(jiān)守。雖然總線監(jiān)守要做的事少一些，但是它也要有時間同步的相關(guān)機制，要有起動和從休眠中喚醒的算法，為實現(xiàn)這些功能，從總線上接收數(shù)據(jù)的部分就是不可少的。由于僅少了發(fā)送部分，F(xiàn)lexRay甚至提到過一種可能：將控制芯片設(shè)計成可組態(tài)的，它既可作通信控制器，又可以作總線監(jiān)守。這就說明了總線監(jiān)守的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，成本是高的。有的FlexRay宣傳文稿提到可以將安全攸關(guān)的節(jié)點與要求稍低的節(jié)點連在同一總線上，要求低的節(jié)點可以不配總線監(jiān)守，這種講法是不正確的，因為根據(jù)木桶原理，一段總線上通信的沖突可能性由最有可能引起沖突的節(jié)點決定，安全要求低的節(jié)點發(fā)送超時會引起總線上的沖突，影

23、響安全攸關(guān)消息的傳送。4 小結(jié)目前在車內(nèi)總線技術(shù)的競爭方面，CAN的主要對手是FlexRay，因此與FlexRay在單信道應(yīng)用上的比較是不可避免的。因為在一個信道上傳送FlexRay 的幀出錯率高很多，又沒有出錯自動重發(fā)的機制，F(xiàn)lexRay要減少出錯就要重復(fù)發(fā)送，以時間備份的方式糾錯。經(jīng)過FlexRay擴展字節(jié)與時間備份的折扣，有效的數(shù)據(jù)傳送帶寬已降到4Mbps。加上其它開銷，帶寬還要減少。另一方面，時間觸發(fā)協(xié)議的調(diào)度表的求解在負載越大時越困難，不可能用足到4 Mbps。FlexRay的通道長度最長為24米3，如果CAN也限于24米，根據(jù)每米信號傳送遲后約5ns計算，CAN位時間中傳送段的通

24、道傳送部分為240ns，如設(shè)計驅(qū)動器的響應(yīng)時間也為40ns左右（SJA1000），那么CAN要達到數(shù)據(jù)傳送率為23 Mbps也是可能的，雖然ISO11898-1限定1 Mbps為上限，但它并不是技術(shù)的極限。FlexRay在抗共模干擾上比CAN強，但是出錯并不僅由共模干擾引起，例如來自電源的傳導(dǎo)干擾會引起包括比較器在內(nèi)的的所有電路出錯。所以并不能確定FlexRay的硬件可靠性高于CAN。在保證傳送數(shù)據(jù)的一致性方面，二種協(xié)議都要有應(yīng)用層的解決辦法，F(xiàn)lexRay并未提供直接可用的機制。作為通信的下層，它們都采取的是性能逐步退化的策略。像冗余通道，星形拓撲等措施在CAN中如何實現(xiàn)最好也有人在研究，并

25、非不可能實現(xiàn)。對CAN而言FlexRay是一種挑戰(zhàn)，但是在單信道的總線拓撲應(yīng)用中FlexRay并不構(gòu)成威脅。由于目前高檔車內(nèi)已經(jīng)用了不止一個CAN總線系統(tǒng)，用二信道的FlexRay取代多個CAN總線系統(tǒng)有可能在性價比上取得進展，但是它與現(xiàn)在生產(chǎn)的用CAN的ECU存在兼容問題，且目前其成本高，這些問題的解決還有待時日。盡管CAN有一定局限，甚至還有漏洞，對CAN的改進還在繼續(xù)，在未來的510年里CAN總線仍然有很大的性價比優(yōu)勢。以上對FlexRay的資料的理解有謬誤之處請批評指正。參考文獻：1 Texas Instruments：”Interface Circuits for TIA/EIA-485(RS485) Design Notes”, (