【技術(shù)分享】不懂CAN協(xié)議？如何避免總線仲裁失敗？

CAN總線是可以掛載多個(gè)控制單元，每個(gè)單元均可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為了避免發(fā)生沖突，協(xié)議規(guī)定只有等信道空閑時(shí)刻優(yōu)先級(jí)高的單元才能占有總線并發(fā)送數(shù)據(jù)，那么CAN單元是如何判斷優(yōu)先級(jí)的呢？ CAN仲裁的實(shí)現(xiàn)方式1. CANID在CAN報(bào)文中的位置每一個(gè)CAN報(bào)文的CANID有唯一標(biāo)識(shí)的11bit/29bit構(gòu)成，以標(biāo)準(zhǔn)CAN幀為例，11bitCANID在CAN幀中的位置如圖1所示。SOF之后是Identifier，各個(gè)節(jié)點(diǎn)要外發(fā)的CANID通過CANID仲裁，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文被優(yōu)先發(fā)送。同時(shí)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲得CAN總線的使用權(quán)，而仲裁失敗的節(jié)點(diǎn)則停止數(shù)據(jù)的發(fā)送，轉(zhuǎn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，只能等待下一個(gè)SOF時(shí)刻再去仲裁。

圖1標(biāo)準(zhǔn)CAN數(shù)據(jù)幀格式

2. CAN總線仲裁機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

那么CANID的優(yōu)先等級(jí)是如何判斷的呢？其實(shí)CAN總線ID仲裁方式相當(dāng)于一個(gè)“線與”的結(jié)構(gòu)，顯性(邏輯0)與隱形(邏輯1)相與變?yōu)轱@性即0&1=0，硬件電路簡(jiǎn)圖可參考圖2。標(biāo)準(zhǔn)CAN幀格式的總線仲裁方式如圖3所示。因?yàn)楦呶辉谇?，低位在后，故CAN標(biāo)識(shí)符組成的數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。

圖2線與電路簡(jiǎn)圖

圖3總線仲裁方式圖

CANID沖突發(fā)生的條件及現(xiàn)象1.CANID沖突的條件

本文以我司協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊CSM300為例進(jìn)行介紹，CSM300是集成微處理器、CAN-bus控制器、CAN-bus收發(fā)器、DC-DC轉(zhuǎn)換、高速數(shù)字隔離于一體的嵌入式CAN與UART/SPI雙向轉(zhuǎn)換模塊。如果我們將兩個(gè)ID均為00000000的CSM300模塊組成一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)這兩個(gè)ID相同的模塊同時(shí)往CAN總線端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)造成仲裁失敗。

2. CANID沖突的現(xiàn)象

以CSM300為例進(jìn)行說明，電路硬件簡(jiǎn)易連接圖如圖4所示，用兩個(gè)上位機(jī)通過兩路串口同時(shí)給兩個(gè)相同配置的模塊發(fā)送一組數(shù)據(jù)，此時(shí)兩模塊會(huì)同時(shí)將RXD腳接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至CAN總線端。因?yàn)閮蓚€(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的ID一樣，CAN總線仲裁失敗，兩發(fā)送節(jié)點(diǎn)收不到反饋信號(hào)，將一直發(fā)送最后一幀數(shù)據(jù)，此時(shí)CAN總線端的波形如圖5所示。圖4CSM300電路連接圖

圖5CAN總線波形圖

CSM系列如何避免CANID沖突為滿足不同環(huán)境的應(yīng)用，CSM300系列和CSM100系列均有透明轉(zhuǎn)換、透明帶標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換、自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換三種轉(zhuǎn)換方式供用戶選配，如圖6所示。

圖6轉(zhuǎn)換方式選配圖

透明轉(zhuǎn)換方式下用戶可通過MCU或上位機(jī)將模塊配置為不同的ID避免發(fā)生仲裁失敗的情況,透明轉(zhuǎn)換方式下，模塊無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外處理，最大限度地提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度，也提高了緩沖區(qū)的利用率。不過此模式下每個(gè)模塊的CANID在配置完成后不能更改除非用戶再次配置，此外該模式下可能將兩組時(shí)間間隔接近的UART幀識(shí)別為一組數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。

透明帶標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換方式下，用戶可以在配置時(shí)固定CANID在串行幀的位置和長(zhǎng)度如圖7所示，通過改變串行幀數(shù)據(jù)來控制所發(fā)數(shù)據(jù)的CAN幀ID，方便用戶在同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同ID的CAN數(shù)據(jù)。但是此模式下需要確保串行幀的時(shí)間間隔足夠大，避免模塊不能正確識(shí)別每組串行幀的結(jié)束造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。透明帶標(biāo)識(shí)模式下串行幀最小間隔具體要求可參考CSM100和CSM300的用戶手冊(cè)。

圖7透明帶標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換配置圖

有效的自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換串行幀包括了幀頭、幀尾、幀ID和幀長(zhǎng)度等，用戶可通過改變串行幀數(shù)據(jù)來控制CAN幀ID，方便用戶在同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同ID的CAN數(shù)據(jù)。同時(shí)用戶將在配置時(shí)固定幀頭和幀尾如圖8所示，此模式下用戶通過串行幀數(shù)據(jù)告知模塊串行幀的幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，故此轉(zhuǎn)換方式下可有效避免因串行幀間隔時(shí)間短造成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的情況。

圖8自定義轉(zhuǎn)換配置圖