分享一種用CAN波形的幅度和脈寬信息來精確定位錯(cuò)誤幀來源的方法

我們先從基礎(chǔ)的講起。CAN節(jié)點(diǎn)的電路一般如下圖所示，MCU內(nèi)置了CAN控制器用來將MCU的數(shù)據(jù)封裝為CAN幀格式，同時(shí)它也負(fù)責(zé)CAN幀的校驗(yàn)和錯(cuò)誤幀的處理。

控制器封裝好的邏輯報(bào)文經(jīng)TX RX送到CAN收發(fā)器，將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲目偩€差分波形。

一、CAN物理層

也就是CAN收發(fā)器干了啥？

一個(gè)典型的雙節(jié)點(diǎn)CAN網(wǎng)絡(luò)的物理層等效電路如上圖，兩顆120Ω終端電阻并聯(lián)呈現(xiàn)總線電阻60Ω。黑框里是A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN收發(fā)器（Transceiver），它只負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)總線靜默時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部的2.5V電源經(jīng)15KΩ電阻把CAN-H和CAN-L都拉到2.5V，總線這個(gè)狀態(tài)稱之為隱性。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A想要驅(qū)動(dòng)總線的時(shí)候（TX=0），它同時(shí)把內(nèi)部的上下兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電流流向：節(jié)點(diǎn)A的5V電源經(jīng)二極管、24Ω、兩顆終端電阻并聯(lián)、24Ω、二極管回到節(jié)點(diǎn)A的地，總線這個(gè)狀態(tài)稱之為顯性。CAN總線上的電壓實(shí)際上就是終端電阻的分壓。

從節(jié)點(diǎn)B來看，CAN-H就變成3.5V，CAN-L變成1.5V，拉出了總線 H - L = 2V 的差分電壓，大于0.7V的判斷閾值，節(jié)點(diǎn)B就認(rèn)為收到了一個(gè)顯性（RX=0）。大家可以算一下分壓值以增強(qiáng)記憶，后邊會(huì)用到。

反直覺知識(shí)點(diǎn)①：總線無人驅(qū)動(dòng)時(shí)，也就是各個(gè)節(jié)點(diǎn)都隱性時(shí)，CAN標(biāo)準(zhǔn)定義這時(shí)的TX/RX邏輯電平為1；總線有節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)顯性，也就是主動(dòng)拉開差分電壓的時(shí)候，對(duì)應(yīng)TX/RX端邏輯電平0，這個(gè)1/0的反邏輯類似I2C等OC門的驅(qū)動(dòng)邏輯，努力適應(yīng)一下。這么做我猜有兩個(gè)原因：一是對(duì)地邏輯的抗擾能力強(qiáng)一些，NPN載流能力強(qiáng)&回流路徑短；二是為了數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性：1x1x1x1...1x0 = 0，任意節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)顯性0，那總線就是顯性0；所有節(jié)點(diǎn)隱性1，總線才是隱性1。但這樣的反邏輯帶來一個(gè)問題是，電路設(shè)計(jì)時(shí)需要尤其注意上下電時(shí)序，上電/休眠/喚醒過程中千萬不要出現(xiàn)MCU已下電(TX拉低)但CAN收發(fā)器還供5V電的情況。如果實(shí)在難以避免，可以試試單3.3V的CAN收發(fā)器MAX3051，它不需要5V電源，邏輯電和驅(qū)動(dòng)電共用同一路3.3V，肯定不會(huì)出現(xiàn)電源時(shí)序問題。

反直覺知識(shí)點(diǎn)②：理論上CAN_L短地，或 CAN_H短路12V，因60Ω終端電阻的存在，隱性時(shí)CAN-H與CAN-L之間基本還是重合的，顯性時(shí)也能正常拉開壓差，能維持正常通信，只不過丟包率可能會(huì)大一點(diǎn)。大家可以算算總線電壓，示波器很容易診斷這個(gè)問題。另外，如果你看到CAN的通信電壓不是以2.5V為中心對(duì)稱的，也有可能是多個(gè)CAN線交叉錯(cuò)接，比如CAN1_L錯(cuò)接到了CAN2_L上。

反直覺知識(shí)點(diǎn)③：一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)里，120Ω終端電阻1~4顆都能工作，少了的話 離終端電阻遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn) 抗擾度會(huì)差，多了的話 顯性差分電壓可能無法觸發(fā)閾值。

反直覺知識(shí)點(diǎn)④：除了線路的最遠(yuǎn)端，任何稍長的CAN分支都可以加1K~4.7K的支線電阻，跑點(diǎn)電流來改善抗擾度。只要分支別太長，大致1Mbps以內(nèi)的任何總線其終端電阻都是跑電流增強(qiáng)抗擾的，不涉及真正的阻抗或者反射抑制，雙絞的要求也不是特別嚴(yán)格。

二、CAN鏈路層

也就是CAN控制器干了啥？

回顧完物理層，咱來看鏈路層，CAN幀的標(biāo)準(zhǔn)格式。當(dāng)發(fā)送節(jié)的MCU將TX由1變0的時(shí)候，CAN收發(fā)器將CAN-H拉高&CAN-L拉低，接收節(jié)點(diǎn)收到了H-L>0.7V的壓差后，接收節(jié)點(diǎn)的CAN收發(fā)器RX輸出由1變0。下圖是一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到CAN波形后解碼出的RX邏輯。

一幀報(bào)文里邊有比較關(guān)鍵的幾段：仲裁段、控制段 、 數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段。

仲裁段中的大部分是CAN報(bào)文的ID，起名為“仲裁”其實(shí)是因?yàn)檫@一段有優(yōu)先級(jí)仲裁的功能：假設(shè)A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻搶發(fā)報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A要發(fā)二進(jìn)制ID為001的報(bào)文，B要發(fā)010。當(dāng)A、B節(jié)點(diǎn)都在發(fā)第一位的顯性0的時(shí)候，總線會(huì)同時(shí)被兩個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)顯性，A、B節(jié)點(diǎn)回讀總線也都是顯性，相互之間還意識(shí)不到對(duì)方的存在。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)到第二位的0，節(jié)點(diǎn)B發(fā)到第二位的1的時(shí)候，總線只有節(jié)點(diǎn)A驅(qū)動(dòng)顯性0，節(jié)點(diǎn)B不驅(qū)動(dòng) 卻發(fā)現(xiàn)總線被別人驅(qū)動(dòng)了，此時(shí)節(jié)點(diǎn)B會(huì)認(rèn)為CAN線上有比自己這幀010優(yōu)先級(jí)更高的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B就會(huì)主動(dòng)停發(fā)，讓節(jié)點(diǎn)A獨(dú)占總線發(fā)完。之后節(jié)點(diǎn)B懷揣著這幀數(shù)據(jù)再次參與總線優(yōu)先級(jí)的仲裁。

反直覺知識(shí)點(diǎn)①：CAN作為一個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，沒有主從關(guān)系，報(bào)文全部廣播，節(jié)點(diǎn)本身也沒有優(yōu)先級(jí)概念，只有報(bào)文ID的優(yōu)先級(jí)?？梢赃@么理解：CAN節(jié)點(diǎn)是“由事件驅(qū)動(dòng)的”，比如剎車制動(dòng)器，它能發(fā)高優(yōu)先級(jí)的“剎車被踩下”的報(bào)文，也會(huì)發(fā)低優(yōu)先級(jí)的“剎車油位正?！钡膱?bào)文，這些報(bào)文根據(jù)ID的大小在總線上自由競爭優(yōu)先級(jí)，而不是剎車制動(dòng)器這個(gè)節(jié)點(diǎn)的話語權(quán)一定高。這個(gè)特性就要求設(shè)計(jì)人員提前規(guī)劃好所有報(bào)文優(yōu)先級(jí)和周期（即“通信矩陣”）才能保證整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)如期運(yùn)轉(zhuǎn)。如果你的CAN網(wǎng)絡(luò)有大量雷同節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)又只有一幀報(bào)文，那么ID數(shù)大（優(yōu)先級(jí)低）的節(jié)點(diǎn)一定會(huì)在總線繁忙或干擾重發(fā)的時(shí)候"插不上話"，可以試試把時(shí)間戳融合到ID里邊，確保各節(jié)點(diǎn)的新數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最高，舊數(shù)據(jù)自然會(huì)被仲裁掉。

反直覺知識(shí)點(diǎn)②：在A、B節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一個(gè)顯性0的時(shí)候，總線被兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，電壓會(huì)顯著高于2V。示波器上會(huì)看到在仲裁段的頭部有明顯的電平凸臺(tái)，后續(xù)節(jié)點(diǎn)A搶占總線之后電壓會(huì)回歸正常的2V。

反直覺知識(shí)點(diǎn)③：各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步是把每個(gè)bit做16~20份的數(shù)字切片來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)切的份數(shù)不建議太多或太少。詳細(xì)機(jī)制請(qǐng)參閱 ZLG致遠(yuǎn)電子的這篇：CAN同步機(jī)制，你真的了解嗎？

控制段中有幾個(gè)控制位，這里拿幾個(gè)常用的舉例。IDE位為擴(kuò)展ID的指示。如果IDE位為隱性1，就會(huì)在后邊再續(xù)上18位的ID，共11+18=29位長度。比如0x9E就是個(gè)11位長度的ID，0x0151就是個(gè)29位的ID。R0位是CAN里邊的預(yù)留位，在CAN-FD里被用作FD幀格式的標(biāo)志位FDF，這一位為隱性1就會(huì)按FD的幀格式解碼后續(xù)報(bào)文。DLC指示了后邊的數(shù)據(jù)段的長度，例如1000表示后續(xù)會(huì)有8個(gè)Byte長度的數(shù)據(jù)。CAN-FD協(xié)議只在數(shù)據(jù)段會(huì)切換成高速率，比如2Mbps/8Mbps，前后其他段的速率保持500kbps不變。

反直覺知識(shí)點(diǎn)①：CAN與CAN-FD除了數(shù)據(jù)段波特率的不同，幀格式也有區(qū)別，CAN-FD多了一些控制位。比如FDF(也叫EDL)位用來指示是否按FD幀格式解碼，BRS位用來指示是否需要切換高波特率，也就是說，一個(gè)FD幀可以全程500kbps不切速率的。

反直覺知識(shí)點(diǎn)②：CAN控制器的標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-1里要求接收方不解讀R0位的顯隱性，所以CAN的控制器無法過濾FD幀。標(biāo)準(zhǔn)CAN網(wǎng)絡(luò)里邊一旦出現(xiàn)FD幀會(huì)因?yàn)槎嗔薆RS、ESI等控制位被認(rèn)為是格式錯(cuò)誤。同樣的，因?yàn)镃AN 2.0時(shí)代R0/FDF幀無意義，也有一些設(shè)備把發(fā)送出去的CAN幀的R0位錯(cuò)誤地置了隱性1，這樣的設(shè)備在CAN網(wǎng)絡(luò)里一切正常，但若進(jìn)入CAN-FD網(wǎng)絡(luò)就會(huì)被解讀成FD幀，進(jìn)而因?yàn)槿鄙貰RS、ESI等控制位被認(rèn)為是格式錯(cuò)誤。所以，CAN-FD并不是真的向下兼容CAN，因?yàn)榕f時(shí)代的CAN設(shè)備并沒有判別R0/FDF位的能力，一旦它進(jìn)入FD網(wǎng)絡(luò)就會(huì)瘋狂地打斷通信。

反直覺知識(shí)點(diǎn)③：DLC的長度，在CAN標(biāo)準(zhǔn)里DLC可以是0000~1000之間的二進(jìn)制值，可以用8421的算法直接計(jì)算出數(shù)據(jù)長度。而在CAN-FD中，1001~1111之間的值則被解讀為離散的12,16,20,24,32,48,64byte。

CRC段對(duì)于從幀頭到Data結(jié)束之間的數(shù)據(jù)，CAN協(xié)議使用了CRC15這個(gè)比較特別的多項(xiàng)式計(jì)算校驗(yàn),有興趣的可以手算CRC試試。CAN-FD根據(jù)數(shù)據(jù)長度的不同使用了CRC17和CRC21，這里暫不做展開。

ACK段是由收到該幀的CAN節(jié)點(diǎn)回復(fù)的確認(rèn)（Acknowledge）。注意 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK位一定發(fā)的是隱性1，由接收節(jié)點(diǎn)回應(yīng)顯性0，雙方無縫銜接才在總線上呈現(xiàn)出一個(gè)完整的CAN報(bào)文。

反直覺知識(shí)點(diǎn)①：總線上任何節(jié)點(diǎn) 只要認(rèn)為這個(gè)幀的結(jié)構(gòu)正確，都會(huì)在ACK位回顯性0，不管需不需要這一幀的ID和數(shù)據(jù)。為什么不需要的節(jié)點(diǎn)也會(huì)回ACK？因?yàn)榈萂CU算完會(huì)造成這一位的延遲，攪亂總線時(shí)序，不如只保障鏈路層本身的格式正確，純芯片數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)無延遲。嗯，90年代的總線要求不要太高。

反直覺知識(shí)點(diǎn)②：發(fā)送節(jié)點(diǎn)若發(fā)現(xiàn)自己這一幀沒有ACK回應(yīng)，它也會(huì)認(rèn)為總線出錯(cuò)，重發(fā)16次后進(jìn)入Passive error狀態(tài)，有興趣的自行研究一下，這里不做展開。

三、真實(shí)CAN波形

來看一個(gè)兩節(jié)點(diǎn)案例：若節(jié)點(diǎn)A發(fā)送0x9E報(bào)文到總線，從節(jié)點(diǎn)B收到的總線波形和邏輯側(cè)波形如下：

黃線為CAN-H，綠線為CAN-L，藍(lán)線為節(jié)點(diǎn)B的邏輯側(cè)RX，紫線為節(jié)點(diǎn)B的邏輯側(cè)TX?？梢钥吹?，作為接收方的節(jié)點(diǎn)B，總線拉差分電壓拉出顯性的時(shí)候，收發(fā)器將RX拉0給到MCU。在節(jié)點(diǎn)B想要回應(yīng)ACK的時(shí)候，MCU將TX拉0，CAN收發(fā)器在總線上拉出了一個(gè)歪斜的顯性（歪斜是因?yàn)闇y量點(diǎn)的寄生電感影響）。RX在ACK位置的0，是收發(fā)器TX=0驅(qū)動(dòng)總線顯性之后 回讀到的0。

再看一個(gè)比較真實(shí)的車上波形，CAN網(wǎng)絡(luò)上大于4個(gè)節(jié)點(diǎn)：

黃色是CAN_H，高電平表示顯性0，綠色是我們掛示波器這個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯側(cè)TX，低電平表示顯性0。箭頭A~D是一幀完整的CAN報(bào)文，箭頭A ~ B這個(gè)過程中，我們掛示波器的這個(gè)節(jié)點(diǎn)和另一個(gè)節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行優(yōu)先級(jí)仲裁，根據(jù)我們之前講到的物理層的分壓原理，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)高一截。在箭頭C這個(gè)bit 該節(jié)點(diǎn)想發(fā)隱性1但發(fā)現(xiàn)總線是顯性0，那就說明有另外的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送更高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文，我們這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，成為接收節(jié)點(diǎn)，并在箭頭D點(diǎn)校驗(yàn)成功后回應(yīng)ACK，等待報(bào)文結(jié)束后這個(gè)節(jié)點(diǎn)再次參與總線仲裁，成功搶占總線如E點(diǎn)所示。

注意波形高度，在箭頭A~B之間，差分電壓略高于2V，這是正常現(xiàn)象，說明有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)總線顯性，但從邏輯看，因?yàn)镠-L>0.7V所以都為顯性0，純數(shù)字邏輯的CAN控制器在箭頭A~B之間還感知不到對(duì)方的存在，箭頭C點(diǎn)之后才感知得到；而在箭頭D點(diǎn)，因?yàn)槌税l(fā)送節(jié)點(diǎn)之外的所有節(jié)點(diǎn)都在同時(shí)驅(qū)動(dòng)ACK，所以總線電壓比箭頭A~B之間的雙節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng) 電壓更高。

四、錯(cuò)誤幀

終于到了錯(cuò)誤幀，注意，錯(cuò)誤幀不是由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的，而是由某個(gè)接收節(jié)點(diǎn)認(rèn)為總線錯(cuò)誤，才故意驅(qū)動(dòng)總線打斷發(fā)送方，在總線上呈現(xiàn)為一個(gè)錯(cuò)誤幀。也就是說錯(cuò)誤幀 一定是由 一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè) 認(rèn)為發(fā)送方有錯(cuò)的節(jié)點(diǎn) 共同形成的。

五、位填充

位填充規(guī)則是CAN協(xié)議的靈魂，簡單來講就幾個(gè)字：逢五補(bǔ)一。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)想要發(fā)連續(xù)5個(gè)bit的顯性0的數(shù)據(jù)，會(huì)故意插入一個(gè)無意義的隱性1；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)5個(gè)bit的隱性1，會(huì)故意插入一個(gè)無意義的顯性0，如下圖的紫色bit。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)漏填了這個(gè)0/1，或者這個(gè)0/1被干擾成了1/0，接收節(jié)點(diǎn)就會(huì)判定為“填充錯(cuò)誤”，向總線上輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”——連續(xù)六個(gè)顯性0，故意破壞這一幀報(bào)文，發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知到總線錯(cuò)誤之后停止發(fā)送這一報(bào)文的后續(xù)部分。你說巧妙不巧妙？連續(xù)6個(gè)顯性0本身就是破壞“逢五補(bǔ)一”規(guī)則的，被拿來當(dāng)錯(cuò)誤標(biāo)志回給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

假如原始數(shù)據(jù)是0x00，二進(jìn)制0000 0000，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)到0000 0的時(shí)候發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)先插一個(gè)1，再發(fā)后續(xù)的000，成為0000 01000，共9bit長度，接收節(jié)點(diǎn)也會(huì)在第5bit的0之后預(yù)期一個(gè)無效的1，解碼時(shí)摳掉。

假如原始數(shù)據(jù)是0000 0100，第六位自帶1，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)到00000的時(shí)候也會(huì)先插一個(gè)1，再發(fā)后續(xù)的100，成為0000 01100，共9bit長度。

六、回讀確認(rèn)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送了0或1的時(shí)候，會(huì)回讀確認(rèn)總線是否和自己的發(fā)送相符，比如在仲裁段搶優(yōu)先級(jí)失敗就會(huì)等下一幀再發(fā)；如果發(fā)到了數(shù)據(jù)段，按理說此時(shí)總線應(yīng)該只有自己，發(fā)著發(fā)著突然發(fā)現(xiàn)回讀的0/1與自己發(fā)的不同，比如受到了干擾，發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”——連續(xù)6bit顯性0，來主動(dòng)拋棄后續(xù)報(bào)文，同時(shí)讓接收節(jié)點(diǎn)知道我這一幀有誤。

在這時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)收到第6bit顯性0的時(shí)候，因違背逢五補(bǔ)一的位填充規(guī)則，也會(huì)往總線上輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，所以會(huì)在總線上看到連續(xù)12bit的顯性0，前6個(gè)來自發(fā)送節(jié)點(diǎn)，后6個(gè)來自接收節(jié)點(diǎn)。

正常情況來說，總線上的顯性不應(yīng)該＞5bits=10us。那么用示波器設(shè)置＞11us的脈寬觸發(fā)模式就很容易定位錯(cuò)誤幀的位置，不一定要用解碼示波器。

七、升維打擊

CAN網(wǎng)絡(luò)的幅度和電流可以為我們提供更多維度的信息，此所謂升維打擊。

我們先來看一個(gè)正常幀，我們叫它節(jié)點(diǎn)A吧，它內(nèi)部有終端電阻，藍(lán)線為H-L的差分電壓，紫線是我們節(jié)點(diǎn)A的CAN-H引腳電流，輸出為正，輸入為負(fù)。

先看藍(lán)色的總線電壓波形，從0x83到END之間是一幀正常波形，注意看幀頭有多級(jí)臺(tái)階，幀尾ACK位置也特別高，這是正常的，可以理解 當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)總線就會(huì)導(dǎo)致60Ω終端電阻上的分壓高于2V。從這些臺(tái)階來看，可以判斷出網(wǎng)絡(luò)上至少有5個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為啥？先看報(bào)文中部的幅度，這肯定是只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)搶占總線之后的波形，往前有兩級(jí)臺(tái)階，可以認(rèn)為A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)搶占總線出現(xiàn)了第一個(gè)高臺(tái)，然后節(jié)點(diǎn)C優(yōu)先級(jí)仲裁失敗退出總線，A、B節(jié)點(diǎn)繼續(xù)搶占出現(xiàn)了第二個(gè)臺(tái)階，之后節(jié)點(diǎn)A成功搶占到了總線優(yōu)先級(jí)，發(fā)送中間的數(shù)據(jù)。最后的ACK位比3節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)bit更高，說明至少有4個(gè)節(jié)點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)ACK，再加上節(jié)點(diǎn)A，網(wǎng)絡(luò)上至少有5個(gè)節(jié)點(diǎn)。

再看紫色的電流波形，已知節(jié)點(diǎn)A自己有終端電阻，外邊有另一顆終端電阻。波形中部的數(shù)據(jù)區(qū)肯定是節(jié)點(diǎn)A在驅(qū)動(dòng)總線，差分電壓流經(jīng)外邊的終端電阻形成回路，所以我們?cè)诠?jié)點(diǎn)A的引腳上觀察到了輸出的正向電流；往前一個(gè)電壓臺(tái)階的位置，電流為0，是A、B兩個(gè)帶終端電阻的節(jié)點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)總線，所以總線電壓拉開了但電流仍是無進(jìn)無出的；再往前一個(gè)臺(tái)階，A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)C的電流流入A、B的終端電阻，所以在節(jié)點(diǎn)A的引腳上測到了輸入的負(fù)向電流；然后幀尾的ACK位置，至少有4個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，流入終端電阻A和B的負(fù)向電流更大了。

八、錯(cuò)誤幀實(shí)戰(zhàn)

這是一個(gè)兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)收，兩方都有終端電阻，發(fā)送節(jié)點(diǎn)用的是TJA1042，接收節(jié)點(diǎn)用的是單3.3V收發(fā)器MAX3051。在幀頭就發(fā)生了錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤幀一般源于時(shí)鐘偏差或采樣點(diǎn)過小。

我們將示波器的差分探頭和電流探頭掛在接收端，下圖黃色為H-L的差分電壓，藍(lán)色為接收節(jié)點(diǎn)的輸出電流，RX為收發(fā)器將H-L差分電壓轉(zhuǎn)換出的邏輯波形，MCU內(nèi)部的CAN控制器會(huì)根據(jù)RX的0/1來解讀總線。TX為接收節(jié)點(diǎn)的發(fā)送邏輯，MCU將TX拉低的時(shí)候收發(fā)器會(huì)往總線上驅(qū)動(dòng)顯性。

我們已知500kbps的每個(gè)bit寬2us，注意上圖紫線TX在2 ~ 4箭頭之間出現(xiàn)了連續(xù)2us * 6=12us的顯性0，說明我們掛示波器的這個(gè)接收節(jié)點(diǎn)在此刻往外輸出了一個(gè)“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，那一定是接收節(jié)點(diǎn)在此之前認(rèn)為總線出現(xiàn)了錯(cuò)誤。我們來往前看，箭頭1~2之間總線差分電壓和RX邏輯側(cè)都只有10us/2us=5bit的顯性0，幀前邊都是長隱性1，這能有什么錯(cuò)？一個(gè)可能是我們碰到了傳說中的過載幀，這個(gè)東西本應(yīng)該很少見了；另一個(gè)可能是接收節(jié)點(diǎn)把對(duì)方來的正確報(bào)文認(rèn)成了錯(cuò)的，這10us被接收節(jié)點(diǎn)認(rèn)成了6bit，錯(cuò)誤的采樣點(diǎn)+硬同步（幀頭對(duì)齊）做得稀爛的國產(chǎn)MCU更容易出現(xiàn)這樣的幀頭報(bào)錯(cuò)。

不管哪種，我們推演一下看看是否符合我們的理論，在箭頭2~3之間發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是想發(fā)送一個(gè)隱性，但這時(shí)接收節(jié)點(diǎn)已經(jīng)覺得不對(duì)開始發(fā)“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，將總線拉成了顯性。然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)讀到這一bit自己想發(fā)送隱性但總線是顯性，所以。。。仲裁區(qū)搶優(yōu)先級(jí)失敗退出總線，，，怎么可能，之前有6個(gè)連續(xù)顯性呢，所以發(fā)送節(jié)點(diǎn)因違反“逢五補(bǔ)一”在箭頭3~5也輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”。所以就成了黃色總線波形的7個(gè)bit的“凸”型，中間的凸臺(tái)的位置總線被兩個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，電壓高起一個(gè)臺(tái)階。

再注意一個(gè)細(xì)節(jié)，凸臺(tái)的左肩膀和右肩膀高度不一樣，左肩膀是接收節(jié)點(diǎn)MAX3051驅(qū)動(dòng)的電平，它比 右肩膀TJA1042的驅(qū)動(dòng)能力弱一些，總線電平低一點(diǎn)。這個(gè)特性可以用來區(qū)分總線上的不同設(shè)備。

藍(lán)色線，是接收節(jié)點(diǎn)的輸出電流。箭頭1~2之間的負(fù)向電流為發(fā)送節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)總線，差分電壓流經(jīng)接收節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的終端電阻帶來的負(fù)電流；箭頭2~3之間的正電流是接收節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)錯(cuò)誤的第一個(gè)bit；后邊3~4的凸臺(tái)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都在驅(qū)動(dòng)顯性 但對(duì)應(yīng)的電流也是負(fù)的，這是因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)過接收節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)電流還是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)灌入接收節(jié)點(diǎn)；再往后4~5的負(fù)電流是發(fā)送端驅(qū)動(dòng)接收節(jié)點(diǎn)的終端電阻的電流。

下圖我標(biāo)出了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出bit流，紅框是“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”。

仍然是這個(gè)兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，仍然是這個(gè)稀爛的國產(chǎn)MCU，我們來看這個(gè)錯(cuò)誤幀是怎么個(gè)情況：

這一幀的DLC=0x01，也就是只有1byte數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)區(qū)之后就是CRC區(qū)，我們的“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”就發(fā)生在這個(gè)區(qū)，觀察又沒有填充錯(cuò)誤，那就是我們掛示波器這個(gè)接收節(jié)點(diǎn)認(rèn)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了CRC錯(cuò)誤。但我們看到黃線在“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”中間出現(xiàn)了凹坑，意味著發(fā)送節(jié)點(diǎn)還是想繼續(xù)發(fā)隱性，并不認(rèn)為自己有錯(cuò)，直到發(fā)現(xiàn)這一位被“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”覆蓋為顯性才感知到位錯(cuò)誤后拋棄后續(xù)報(bào)文。

原因最后定位到：過小的采樣點(diǎn)+過大的再同步補(bǔ)償寬度SJW讓時(shí)鐘誤差逐步積累，這顆國產(chǎn)MCU的重同步又做得稀爛，把正常報(bào)文錯(cuò)讀了一位導(dǎo)致算CRC錯(cuò)誤。最后通過調(diào)整采樣點(diǎn)和SJW寬度減少了這種錯(cuò)誤的出現(xiàn)頻次，得到正常波形如下：

我們?cè)僭囍鴱牟罘植ㄐ蝸矸治鲆粋€(gè)錯(cuò)誤幀：

錯(cuò)誤發(fā)生在CRC區(qū)，我們放大一下，看看各節(jié)點(diǎn)都發(fā)生了啥：

從每一個(gè)臺(tái)階往前畫12us的方框，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出的“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，分析可知：這是一幀節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A認(rèn)為它的CRC算錯(cuò)了，節(jié)點(diǎn)C湊了個(gè)熱鬧，三者一起形成了這個(gè)12bits長的“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”。

那，節(jié)點(diǎn)A為什么會(huì)認(rèn)為CRC有錯(cuò)呢？大概率是因?yàn)橹暗臄?shù)據(jù)讀錯(cuò)了一位。

這么好的波形也能讀錯(cuò)？是的，我們無法判斷節(jié)點(diǎn)A所在的位置波形有多差，可能分支上沒有終端電阻振鈴很大呢？我們只能相信節(jié)點(diǎn)A不會(huì)亂搞。另外，采樣點(diǎn)偏差會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)對(duì)噪聲額外地敏感。

九、CAN-FD錯(cuò)誤排查

來看一個(gè)A B C三節(jié)點(diǎn)CAN-FD錯(cuò)誤幀的案例，節(jié)點(diǎn)C發(fā)，節(jié)點(diǎn)A、B收：黃色是H-L的差分電壓，綠色是節(jié)點(diǎn)B的邏輯TX。0x0677和0x0176是兩個(gè)錯(cuò)誤幀。FD區(qū)波特率設(shè)置為2Mbps。

放大0x0176幀的細(xì)節(jié)：

標(biāo)尺A B之間時(shí)間長度約0.8us，由一個(gè)2Mbps FD bit的0.5us + 一個(gè)CAN-FD的TDC(300ns)組成。

之后出現(xiàn)了6個(gè)FD bit(0.5us*6=3000ns)的連續(xù)顯性位，電平高度與之前相同，之后有連續(xù)2usx6=12us的顯性。

在標(biāo)尺B線后12us位置出現(xiàn)了一個(gè)電壓跌落的小小的下降臺(tái)階，見下下圖。

綜上三條，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)C所在位置干擾過大/分支線路過長，節(jié)點(diǎn)C自己回讀↓下圖↓框出的bit位失敗，自己往總線上輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”（連續(xù)6bit=2usx6=12us的顯性），其他設(shè)備在接收到第6個(gè)CAN-FD的bit=0.5usx6=3us的時(shí)候就讀到了錯(cuò)誤（違反FD速率的“逢五補(bǔ)一”規(guī)則），也往總線上疊加2us*6=12us的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。然后，12us時(shí)節(jié)點(diǎn)C的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志先結(jié)束，其他節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)錯(cuò)誤在2usx6+0.5usx6=15us后結(jié)束。至此，錯(cuò)誤幀形態(tài)完成。

“逢五補(bǔ)一”這條規(guī)則是跟隨波特率變化的，6個(gè)連續(xù)的高波特率0或1都會(huì)觸發(fā)填充錯(cuò)誤。但填充錯(cuò)誤之后輸出的“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”是500kbps波特率的6bit，固定長度12us。

再來一個(gè)案例：CAN-FD采樣點(diǎn)設(shè)置出錯(cuò)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B把節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的CAN-FD報(bào)文當(dāng)CAN來解析出錯(cuò)。

黃色CAN_H，綠色CAN_L，藍(lán)色L-H反向差分電壓，紫線為節(jié)點(diǎn)B邏輯RX，青線為節(jié)點(diǎn)B邏輯TX。

注意看0x00前后的數(shù)據(jù)段，這一段是CAN-FD的2Mbps速率，節(jié)點(diǎn)B因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)設(shè)置錯(cuò)誤讀錯(cuò)了BRS這一波特率轉(zhuǎn)換標(biāo)志，仍按照標(biāo)準(zhǔn)的500kbps去解析節(jié)點(diǎn)A的2Mbps速率的數(shù)據(jù)，對(duì)RX信號(hào)2us一個(gè)采樣我用黃色箭頭標(biāo)出來了，可以看到這恰好是6個(gè)連續(xù)顯性0，違反“逢五補(bǔ)一”的規(guī)則，故而接收節(jié)點(diǎn)B在箭頭2~4之間發(fā)“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，打斷總線通信，告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)你發(fā)錯(cuò)了。

箭頭2~3之間，發(fā)送節(jié)點(diǎn)A恰好也要發(fā)顯性，所以節(jié)點(diǎn)A此時(shí)還沒感覺到不對(duì)。

箭頭3之后，節(jié)點(diǎn)A想要拉隱性，電壓出現(xiàn)一個(gè)坑，卻發(fā)現(xiàn)總線還是顯性，此時(shí)節(jié)點(diǎn)A判斷出現(xiàn)了“位錯(cuò)誤”，開始輸出“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，想告知接收方放棄我這一幀報(bào)文。

箭頭4的位置節(jié)點(diǎn)B釋放“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，箭頭5的位置節(jié)點(diǎn)A釋放“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”。

如果數(shù)據(jù)比較巧，恰好能滿足逢五補(bǔ)一的規(guī)則，那這種錯(cuò)誤形態(tài)會(huì)在發(fā)送很多數(shù)據(jù)之后才會(huì)出現(xiàn)，但最晚也會(huì)被CRC攔截：

補(bǔ)充知識(shí)：CAN-FD網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)必須完全相同，高速率導(dǎo)致對(duì)時(shí)序敏感很多，這一點(diǎn)與CAN網(wǎng)絡(luò)容許一個(gè)范圍顯著不同。

上邊這一幀的BRS位怎么讀錯(cuò)的呢？再一次違反直覺：CAN-FD的采樣點(diǎn)影響發(fā)送節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)波形！用示波器可以輕松量出FD的采樣點(diǎn)位置。

看下圖，CAN-FD報(bào)文的控制段中的BRS位（Bit Rate Switch）明顯是短于前邊的FDF、R0位的，采樣點(diǎn)不匹配的話很容易讀錯(cuò)。因?yàn)?FD的速率翻轉(zhuǎn)是在這一bit的采樣點(diǎn)位置發(fā)生的。比如采樣點(diǎn)80%的2Mbps CAN-FD網(wǎng)絡(luò)，BRS這一位的寬度為2us80%+0.5us20%=1.7us，而不是2us。接收節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)如果設(shè)置大于85%就會(huì)錯(cuò)過整個(gè)BRS位（2us*85%=1.7us），從而導(dǎo)致如上的BRS位讀錯(cuò)的問題。

以上，就是示波器升維破解CAN錯(cuò)誤幀/BusOff的經(jīng)驗(yàn)分享，總結(jié)一下：

結(jié)合已知ID是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)的先驗(yàn)信息，逐個(gè)拔掉非終端節(jié)點(diǎn)，示波器觀察“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，就能模糊定位錯(cuò)誤源頭；

如果能引出敏感設(shè)備的TX，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為哪個(gè)節(jié)點(diǎn)出了什么錯(cuò)就會(huì)非常清晰明了；

其次，測量CAN的輸出電流也能清楚地定位誰在驅(qū)動(dòng)“錯(cuò)誤標(biāo)志”，進(jìn)而找到故障點(diǎn)；

如果上述難以實(shí)現(xiàn)，以12us間隔拆分“錯(cuò)誤標(biāo)志”的電壓臺(tái)階，也能定位大部分錯(cuò)誤原因；

額外關(guān)注單bit寬度的電壓臺(tái)階，能排除部分節(jié)點(diǎn)；

審核編輯：劉清