【導讀】CAN總線高負載率發(fā)送測試時，如果出現大量錯誤報文、被測設備報文周期出現異常、甚至總線鎖死等，有很大可能是CAN網絡上的仲裁發(fā)生了異常。
隨著工業(yè)技術不斷發(fā)展，CAN總線已廣泛應用于，車輛、航空、醫(yī)療等高安全要求領域。高頻發(fā)送CAN報文也成為安全測試的必要組成部分。在信號正常的網絡上高負載率發(fā)送測試時，總線上偶然會出現許多意想不到的問題，例如出現大量錯誤報文、被測設備報文周期出現異常、甚至總線鎖死等。這個時候我們則需要考慮一下CAN網絡上的仲裁是否發(fā)生了異常。
首先我們來了解一下CAN總線仲裁機制。
1 CAN總線仲裁機制
CAN總線作為現場總線，每個節(jié)點可以同時偵測到網絡上正在發(fā)送的數據，當總線空閑時每個節(jié)點均可以發(fā)起自身報文發(fā)送。如果多個節(jié)點同時發(fā)起報文發(fā)送請求，由哪個節(jié)點占用總線就是仲裁機制的主要用途。
首先CAN總線物理層通常是雙絞線。當邏輯“1” 被寫進總線時，CANH和CANL的電平都是2.5V，這種狀態(tài)并被定義為“隱性”位；當邏輯“0”被寫進總線時CANH會上拉到為5V，CANL被下拉到地0V，這種狀態(tài)被定義為“顯性”位。如果顯性位和隱性位被不同的節(jié)點同時寫進總線時，總線會表現為“顯性”位。“顯性位覆蓋隱性位”是CAN總線沖突檢測的基礎。
當節(jié)點開始傳送它們各自的報文時，如果一個節(jié)點寫進了隱性位而讀回顯性位，節(jié)點會知道另一個高優(yōu)先權節(jié)點正在占用總線，該節(jié)點會停止傳送報文并繼續(xù)接收總線報文。這種技術叫做“非破壞性逐位”仲裁。
圖1 CAN仲裁機制
如圖1所示，在多個節(jié)點同時發(fā)送報文時，首次出現不同，且發(fā)送顯性位的節(jié)點占用總線。由于CAN報文首先發(fā)送的為ID段且顯性位為邏輯“0”，因此ID越小該幀的優(yōu)先級越高。
2 仲裁場
似乎按照“非破壞性逐位”仲裁機制，就可以從ID一直仲裁到CRC段，可是CAN傳輸標準并不是這樣， CAN標準要求，仲裁僅從基本ID第一位開始，到標準幀的IDE位或擴展幀的RTR位結束。這個區(qū)域被定義為仲裁場。如圖2所示。
圖2 CAN仲裁場區(qū)域
依據仲裁場范圍，CAN總線仲裁流程如圖3所示。
圖3 CAN仲裁場區(qū)域
3 仲裁異常的影響
在CAN仲裁機制中，理論上仲裁必須在仲裁場完成。不過CAN總線配置錯誤或者測試時發(fā)送CAN幀疏忽，也存在仲裁場數據完全相同的情況，在這樣的情況下會對總線造成什么后果呢？下面我們按照CAN通訊原則分析一下仲裁異常時CAN總線可能出現什么表現。
1、仲裁場后數據傳輸不一致
在仲裁場結束后CAN節(jié)點需要對發(fā)送的數據進行一致性對比，如果發(fā)送的數據與讀取回得數據不一致，收發(fā)器則需要發(fā)送CAN錯誤幀，以通知總線各個節(jié)點自身發(fā)送數據錯誤，停止接收并快速進入總線空閑，以便再次數據發(fā)送。
圖4 仲裁場后數據傳輸不一致
如圖4所示當兩個節(jié)點發(fā)送的仲裁場相同，在仲裁場后DLC段發(fā)生數據不同情況。發(fā)送單元1發(fā)現自己本身需要發(fā)送的隱性電平而收到的是顯性電平，識別到數據不一致現象后立即發(fā)出錯誤幀信息（6個顯性位）。發(fā)送單元1發(fā)送錯誤信息過程中，發(fā)送單元2也將捕獲到自己某個隱性位發(fā)送與收取的不一致，從而也發(fā)出主動錯誤幀。最終造成類似圖4總線電平特征。
需要注意，大部分CAN收發(fā)器在發(fā)送過程中因為沒有占用到總線或者發(fā)送失敗，會在下一次總線空閑到來時再次占用總線發(fā)送相同的數據。因此當出現仲裁場數據相同，后續(xù)數據不同時，有極大的可能造成總線錯誤后兩個節(jié)點再次同時占用總線，再次進行仲裁并總線錯誤，甚至反復進入錯誤造成網絡鎖死等嚴重情況。
2、仲裁場后數據相同
如果兩個CAN節(jié)點，發(fā)送CAN幀完全相同，兩個發(fā)送單元均認為占用了總線，并成功發(fā)送完數據。雖然數據發(fā)送完成，不過需要注意CAN節(jié)點在發(fā)送數據幀時，是不能夠對自己發(fā)送的CAN幀進行應答，這個時候則會出現不同的情況。
不存在多余的應答節(jié)點
圖5 傳輸數據相同無應答
當所有的總線節(jié)點發(fā)送的數據均相同，那么所有節(jié)點認為自己成功發(fā)送了數據，而等待總線其他節(jié)點應答。此時發(fā)送節(jié)點會因為沒有得到應答而被CAN節(jié)點識別為發(fā)送失敗，從而重新占用總線再次發(fā)送。
（注：此現象與應用層有很大的關系，節(jié)點也可以被識別為發(fā)送成功而不再重發(fā)。）
存在多余應答節(jié)點
圖6 傳輸數據相同有應答
在多個節(jié)點同時發(fā)送相同數據到總線，并存在其他節(jié)點不處于發(fā)送狀態(tài)，其他節(jié)點則會對總線進行應答，發(fā)送節(jié)點會認為CAN數據成功發(fā)送。從而隱藏了這種仲裁異常現象。
4 仲裁的其他特性與測試建議
1、CAN總線中的節(jié)點在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請求發(fā)送時總線被其他節(jié)點占用，一般會在下一次空閑到來時請求發(fā)送，總線負載率越高，遇到上面的情況概率也就越大，因此仲裁事件的發(fā)生常出現在高負載率的總線環(huán)境下，如果可以控制總線負載率在合理范圍內，可以大大減少仲裁事件的發(fā)生。
2、每個CAN節(jié)點在發(fā)送報文時，顯性電平都存在一定的驅動能力，在仲裁事件發(fā)生時，由于多個節(jié)點同時驅動總線，會造成CAN總線顯性電平電壓與平時高一點（驅動點越多，電壓越高）。同時由于每個節(jié)點同步性可能存在微小的差異，其脈寬也可能發(fā)生改變。
3、當需要測試指定節(jié)點長時間占用不到總線的表現時，應該使用高優(yōu)先級測試報文進行高負載率發(fā)送（盡可能達到100%）。高優(yōu)先級報文一直占用總線，低優(yōu)先級報文永遠占用不到總線。當需要部分允許部分禁止，應設置測試報文優(yōu)先級在允許報文與不允許報文之間。
4、如果需要測試指定節(jié)點高負載率情況下報文周期特性，發(fā)送的報文優(yōu)先級不能高于被測節(jié)點周期特性報文的優(yōu)先級。如果被測節(jié)點滿足周期性，周期到來后的第一個空閑后報文發(fā)送就可以仲裁成功將該周期報文成功發(fā)送。
5、在某些CAN高層總線協議中，存在可變優(yōu)先級字段，（依據請求發(fā)送等待時間變化優(yōu)先級）。如果需要驗證報文優(yōu)先級變化特性，所發(fā)送的報文優(yōu)先級，需要使用高于初次請求優(yōu)先級，低于最高優(yōu)先級的報文。
5 總結
CAN總線中，無論節(jié)點還是測試設備發(fā)送報文仲裁場應該不同，這樣可以避免因仲裁異常造成的錯誤出現。同樣在CAN測試時，應依據測試目的選擇合理的CAN報文ID，避免仲裁特性影響測試效果。
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