【導讀】總線關閉(bus off)是CAN節(jié)點比較重要的錯誤處理機制。那么,在總線關閉狀態(tài)下,CAN節(jié)點的恢復流程是怎樣的?又該如何理解節(jié)點恢復流程的“快恢復”和“慢恢復”機制?本文將為大家詳細分析總線關閉及恢復的機制和原理。
總線關閉(bus off)是CAN節(jié)點比較重要的錯誤處理機制。那么,在總線關閉狀態(tài)下,CAN節(jié)點的恢復流程是怎樣的?又該如何理解節(jié)點恢復流程的“快恢復”和“慢恢復”機制?本文將為大家詳細分析總線關閉及恢復的機制和原理。
故障界定與總線關閉狀態(tài)
為了避免某個設備因為自身原因(例如硬件損壞)導致無法正確收發(fā)報文而不斷的破壞總線的數(shù)據(jù)幀,從而影響其它正常節(jié)點通信,CAN網(wǎng)絡具有嚴格的錯誤診斷功能,CAN通用規(guī)范中規(guī)定每個CAN控制器中有一個發(fā)送錯誤計數(shù)器和一個接收錯誤計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)值不同,節(jié)點會處于不同的錯誤狀態(tài),并根據(jù)計數(shù)值的變化進行狀態(tài)轉換,狀態(tài)轉換如下圖所示。
圖1節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形1
以上三種錯誤狀態(tài)表示發(fā)生故障的嚴重程度,總線關閉是節(jié)點最嚴重的錯誤狀態(tài)。并且,節(jié)點在不同的狀態(tài)下具有不同的特性,在總線關閉狀態(tài)下,節(jié)點不能發(fā)送報文或應答總線上的報文,也就意味著不能再對總線有任何影響。
狀態(tài)跳轉和錯誤計數(shù)的規(guī)則使得節(jié)點在發(fā)生通信故障時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),本質上就是一種恢復過程。圖1所呈現(xiàn)的轉換過程是CAN通用規(guī)范所要求的,我們從設備供應商買回來的CAN控制器已經(jīng)把這些功能固化在硅片之中。
在通信過程中,錯誤主動和錯誤被動兩種狀態(tài)下節(jié)點的恢復過程一般不需要MCU進行額外的編程處理,直接使用CAN控制器固有功能即可。但對于總線關閉狀態(tài),往往不直接使用CAN控制器固有的恢復過程,而是對其進行編程控制,以實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”機制。
注:
由于篇幅有限,關于錯誤計數(shù)的詳細規(guī)則以及各狀態(tài)下節(jié)點的具體特性不在本文進行討論,讀者可以查閱CAN的相關協(xié)議規(guī)范。
本文的“CAN控制器”是指已經(jīng)實現(xiàn)了CAN通用協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層所要求的功能和特性的器件,如SJA1000;而“節(jié)點”是指把CAN控制器與MCU、收發(fā)器等相關器件進行整合開發(fā)出來的具有一定功能的CAN節(jié)點。
為什么需要對總線關閉狀態(tài)的節(jié)點實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”策略?
當節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后,如果MCU僅是開啟自動恢復功能,CAN控制器在檢測到128次11個連續(xù)的隱性位后即可恢復通信,在實際的CAN通信總線中,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。這意味著如果節(jié)點所在的CAN總線的幀間隔時間大于0.011264s,節(jié)點在總線空閑時間內便可輕易恢復通信。我們已經(jīng)知道,當進入總線關閉狀態(tài)時,節(jié)點已經(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通信,具有較高的風險,因此,在實際的應用中,往往會通過MCU對CAN控制器總線關閉狀態(tài)的恢復過程進行編程處理,以控制節(jié)點從總線關閉狀態(tài)恢復到錯誤主動狀態(tài)的等待時間,達到既提高靈活性又保證節(jié)點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,兩種策略一般同時應用。
通過以上的討論,我們可以知道,節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后,存在以下幾種恢復情況:
MCU僅開啟CAN控制器的自動恢復功能,節(jié)點只需檢測到128次11個連續(xù)的隱性位便可以恢復通信,恢復過程如圖1所示。
MCU沒有開啟CAN控制器的自動恢復功能,也不主動干預總線關閉錯誤,節(jié)點將一直無法“自動”恢復總線通信,只能通過重新上電的方式使節(jié)點恢復, 恢復過程如圖2所示。
說明: E:CAN分析儀產(chǎn)品分類CANDT微信文章CANScope節(jié)點BusOff恢復過程分析與測試圖2.jpg
圖2 節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形2
MCU對CAN控制器的恢復過程進行編程處理,這時,節(jié)點的恢復行為由具體的編程邏輯決定,各廠家普遍采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復策略,恢復過程如圖3所示。
說明: E:CAN分析儀產(chǎn)品分類CANDT微信文章CANScope節(jié)點BusOff恢復過程分析與測試圖3.jpg
圖3 節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形3
MCU如何實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”?
MCU編程實現(xiàn)總線關閉“快恢復”和“慢恢復”的一般過程可用以下流程圖描述:
說明: E:CAN分析儀產(chǎn)品分類CANDT微信文章CANScope節(jié)點BusOff恢復過程分析與測試圖4.jpg
圖4 MCU實現(xiàn)總線關閉恢復流程
節(jié)點以正常發(fā)送模式發(fā)送報文的過程中,如果出現(xiàn)了發(fā)送錯誤,發(fā)送錯誤計數(shù)會增加,只要發(fā)送錯誤計數(shù)沒有超過255, CAN控制器便會自動重發(fā)報文,如果出現(xiàn)多次發(fā)送錯誤,使發(fā)送錯誤計數(shù)累加超過255,則節(jié)點跳轉為總線關閉狀態(tài)。MCU能夠第一時間知道節(jié)點進入了總線關閉狀態(tài)(例如在錯誤中斷處理邏輯中查詢狀態(tài)寄存器的相應位),這時MCU控制CAN控制器進入“快恢復”過程,即控制CAN控制器停止報文收發(fā),并進行等待,計時達到需要的時間T1(如100ms)后,MCU重新啟動恢復CAN控制器參與總線通信,這樣便完成了一次“快恢復”過程。
節(jié)點每進入一次“快恢復”過程時,MCU會對此進行計數(shù),當節(jié)點“快恢復”計數(shù)達到設定的值N(如5次),則后續(xù)再次進入總線關閉狀態(tài)時MCU把恢復總線通信的等待時間T2進行延長(如1000ms),這樣便實現(xiàn)了“慢恢復”過程。“快恢復”和“慢恢復”過程的主要區(qū)別就在于恢復節(jié)點參與總線通信的等待時間的不同。
通過MCU對于總線關閉后的恢復行為進行編程控制,實際上是對CAN控制器的錯誤管理和恢復機制進行了補充,使得總線關閉狀態(tài)后的恢復過程更加靈活,更能適應實際應用的需要。對于 “快恢復”和“慢恢復”的等待時間,以及“快恢復”計數(shù)多少次后進入“慢恢復”過程,不同廠家可根據(jù)具體的需求進行編程實現(xiàn)。
實測總線關閉恢復過程
通過廣州致遠電子有限公司的CAN總線分析儀的流量分析功能,可以很方便分析總線關閉后節(jié)點的恢復過程及測試“快恢復”和“慢恢復”的恢復時間。
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,并開啟報文讀取功能。
圖5 功能設置
第二步,給DUT上電,并采集一段時間報文,停止采集后使用流量分析功能進行分析。
圖6 采集報文并進行流量分析
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為波形“團”)之間讀取恢復時間。
圖7 讀取恢復時間
至此,我們便可以得出結論:該DUT對總線關閉的恢復過程進行了編程控制,采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復機制,節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后,進行一次“快恢復”過程,后續(xù)進行“慢恢復”過程,兩個恢復過程的恢復時間分別為27.5ms和209.5ms。
那么,我們該如何根據(jù)所得波形理解該DUT進入總線關閉狀態(tài)及恢復通信的整個過程呢?
把第一個波形“團”放大得到下圖:
圖8 放大波形“團”觀察
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。
DUT上電后,初始發(fā)送和接收錯誤計數(shù)都為0。由于在測試時配置了接收干擾功能,當DUT開始發(fā)送報文后,每一幀報文都受到CAN總線分析儀的干擾而出現(xiàn)發(fā)送錯誤,第一次發(fā)送時發(fā)送錯誤計數(shù)加8,并自動重發(fā),第二次發(fā)送時錯誤計數(shù)再加8,直到發(fā)送了32次后,發(fā)送錯誤計數(shù)大于255,根據(jù)圖3的錯誤狀態(tài)的轉換規(guī)則,這時DUT跳轉為總線關閉狀態(tài),MCU控制進入“快恢復”過程同時對“快恢復”次數(shù)進行計數(shù),并等待約27ms后,MCU控制DUT從總線關閉狀態(tài)恢復為錯誤主動狀態(tài),由MCU繼續(xù)啟動發(fā)送,由于仍然受CAN總線分析儀的持續(xù)干擾,發(fā)送32幀后再次進入總線關閉狀態(tài),再次執(zhí)行“快恢復”或“慢恢復”過程,以此類推。
根據(jù)流量分析的結果可知,該DUT進入“快恢復”的計數(shù)達到1次后便執(zhí)行“慢恢復”過程,“慢恢復”等待時間約為209ms。
注:
干擾的設置可以根據(jù)需要設置其他的參數(shù),只要保證能對DUT發(fā)送的幀進行干擾使其出現(xiàn)發(fā)送錯誤即可。
為了分析完整的總線關閉恢復過程,建議DUT和CAN總線分析儀連接好后,先開啟“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(shù)和發(fā)送錯誤計數(shù)的初始計數(shù)都為0。
需要對DUT進行連續(xù)的干擾,否則DUT恢復后成功發(fā)送了報文,“快恢復”次數(shù)的計數(shù)會遞減,這不利于分析DUT總線關閉后的整個恢復行為。
總線關閉后節(jié)點的“恢復”是指恢復參與總線的通信,但并不意味著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總線分析儀的干擾,導致報文發(fā)送再次失敗。
總結:
在總線關閉狀態(tài)下,“快恢復”和“慢恢復”不是CAN控制器固有的功能,而是通過MCU的編程邏輯實現(xiàn)的恢復機制,是總線關閉狀態(tài)下恢復過程的補充,使恢復過程更具有靈活性。
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