從新能源汽車CAN總線入手，學(xué)習(xí)兼容性更強(qiáng)大通訊系統(tǒng)

CAN總線通訊發(fā)展的過(guò)程中，為了兼容實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是否也有與之對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？ 今天我們就來(lái)學(xué)習(xí)兼容性更強(qiáng)大的通訊系統(tǒng)。

ISO11898前3部分的解讀提高了對(duì)傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的理解，無(wú)論是高速CAN還是低速CAN，亦或者是最基礎(chǔ)的物理層定義都進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)總線通訊基本都是事件觸發(fā)的，當(dāng)同時(shí)有許多信息需要傳輸時(shí)可能會(huì)造成總線過(guò)載，為了避免這種現(xiàn)象，傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)采用仲裁機(jī)制按信息優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳輸。

圖1 新能源汽車CAN總線透視圖

顯然，傳統(tǒng)分布式的CAN網(wǎng)絡(luò)如果能用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（基于時(shí)間觸發(fā)調(diào)度而非事件觸發(fā)），對(duì)于系統(tǒng)的兼容性和綜合集成性將大有提高，但問(wèn)題是我們?nèi)绾尾拍軐⒉⒎峭瑯幼駨臅r(shí)間調(diào)度的兩者結(jié)合起來(lái)呢？

一、時(shí)間觸發(fā)CAN

1、概述

時(shí)間觸發(fā)CAN是建立在標(biāo)準(zhǔn)CAN上的高層協(xié)議，它會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通訊進(jìn)行同步調(diào)度，也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)固定的時(shí)間里發(fā)送信息，這樣就不用再對(duì)信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)仲裁，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的時(shí)間是固定的，所以還可以預(yù)判整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間。

1.1 要實(shí)現(xiàn)這樣的時(shí)間觸發(fā)CAN通訊有兩種方式

方式一：用于周期信息傳輸。

方式二：支持全局系統(tǒng)時(shí)間傳輸。

1.2 幾個(gè)重要概念

• 基本周期：兩個(gè)參照幀之間的時(shí)間被稱為一個(gè)基本周期，基本周期由數(shù)個(gè)時(shí)間窗組成；

• 參照幀：開(kāi)始一個(gè)基本周期的數(shù)據(jù)幀，為網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)全局時(shí)間，其作用就好像格林尼治時(shí)間之于世界時(shí)間一樣，用以同步所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間；

• 時(shí)間窗：系統(tǒng)矩陣?yán)餅閭鬏斝畔⒎峙涞臅r(shí)間段，包括仲裁時(shí)間窗、自由時(shí)間窗和專用時(shí)間窗，見(jiàn)圖2。

圖2 一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)個(gè)時(shí)間窗

所謂的時(shí)間觸發(fā)就是上面已經(jīng)分配好的的數(shù)據(jù)從左到右按順序發(fā)送，下面介紹一下這三種時(shí)間窗：

• 專用時(shí)間窗（Exclusive Windows）：用來(lái)傳輸特殊的周期信息，這些消息不會(huì)參與總線競(jìng)爭(zhēng)，是置身事外的一個(gè)記錄員角色。

• 仲裁時(shí)間窗（Arbitrating Windows）：CAN節(jié)點(diǎn)在總線不是空閑的時(shí)候是不能傳輸消息的，而在時(shí)間觸發(fā)CAN的仲裁時(shí)間窗里可以安排網(wǎng)路內(nèi)的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文，不過(guò)沒(méi)有重發(fā)功能。

• 自由時(shí)間窗（Free Windows）：保留用作系統(tǒng)擴(kuò)展，可以配置成增加節(jié)點(diǎn)的仲裁時(shí)間窗或?qū)Ｓ脮r(shí)間窗，相當(dāng)于機(jī)動(dòng)部隊(duì)。

圖3 系統(tǒng)矩陣

上圖的系統(tǒng)矩陣有4個(gè)基本周期，一個(gè)基本周期可由不同類型、長(zhǎng)度的時(shí)間窗組成，矩陣的縱列也叫做傳輸陣，傳輸陣?yán)锏臅r(shí)間窗有相同的長(zhǎng)度但是可以擁有不同類型。

二、接收和發(fā)送

明確完了概念，我們接下來(lái)了解時(shí)間觸發(fā)CAN是如何接收和發(fā)送信息的。

1、信息的發(fā)送

信息發(fā)送觸發(fā)器

在時(shí)間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡(luò)里，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息由信息發(fā)送觸發(fā)器控制。信息發(fā)送觸發(fā)器會(huì)顯示信息是由系統(tǒng)矩陣?yán)锩娴哪膫€(gè)時(shí)間窗以及怎么來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

所以，信息發(fā)送觸發(fā)器有多個(gè)功能組，一是信息正確性判斷，二是發(fā)送的時(shí)間標(biāo)示，三是判斷傳輸陣?yán)锏陌l(fā)送位置，四是重發(fā)因數(shù)，一個(gè)信息發(fā)送觸發(fā)器的觸發(fā)條件滿足時(shí)，即使信息的傳輸出錯(cuò)導(dǎo)致信息失效時(shí)它也將立即啟動(dòng)。

圖4 舉例一個(gè)專用信息的發(fā)送觸發(fā)器

上圖是一個(gè)專用信息D的信息發(fā)送觸發(fā)器，它表述了在系統(tǒng)矩陣?yán)锏谌齻€(gè)基本周期的第五個(gè)時(shí)間窗（專用窗）發(fā)送，周期偏差為0，重發(fā)因素為2。

2、信息的接收

信息接收觸發(fā)器

在時(shí)間觸發(fā)CAN里，信息的接收是由信息接收觸發(fā)器控制的，信息接收觸發(fā)器的構(gòu)成與上述的信息發(fā)送觸發(fā)器一樣，信息接收觸發(fā)器的時(shí)標(biāo)會(huì)在信息接受完成后確定時(shí)間點(diǎn)。

3、參照幀的發(fā)送

信息接收觸發(fā)器

參照幀發(fā)送觸發(fā)器是一個(gè)特殊的信息發(fā)送觸發(fā)器，它只存在于備用的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)里。在嚴(yán)格的時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，只用唯一的一個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器來(lái)確保參照幀的周期發(fā)送，只要時(shí)間到了，參照幀就會(huì)被發(fā)送。

而在事件同步的基本周期系統(tǒng)中會(huì)有兩個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器，其中一個(gè)參照幀發(fā)送觸發(fā)器按系統(tǒng)矩陣基本周期定時(shí)發(fā)送，另一個(gè)作為后備，在事件同步異常時(shí)重新發(fā)送參照幀。

三、時(shí)間主節(jié)點(diǎn)初始化和錯(cuò)誤處理

1、時(shí)間主節(jié)點(diǎn)初始化概念

雖然正常通訊建立起來(lái)時(shí)只有一個(gè)時(shí)間主節(jié)點(diǎn)，但在時(shí)間觸發(fā)CAN中備用的時(shí)間主節(jié)點(diǎn)可能超過(guò)8個(gè)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，硬件初始化，所有備用時(shí)間主節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級(jí)和等待時(shí)間可以開(kāi)始嘗試發(fā)送參照幀。硬件初始化后有高優(yōu)先級(jí)的CAN標(biāo)識(shí)符的幀同步實(shí)體（數(shù)據(jù)鏈路層和媒體訪問(wèn)控制層的執(zhí)行單元）可以優(yōu)先傳輸。

2、錯(cuò)誤處理

CAN的失效處理遵循ISO 11898-1的規(guī)定，當(dāng)幀同步實(shí)體檢測(cè)到調(diào)度表有誤時(shí)，會(huì)通過(guò)CAN的ISO 11898-1協(xié)議來(lái)處理。

圖5 錯(cuò)誤處理

四、小結(jié)

至此，我們將時(shí)間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一個(gè)概述，簡(jiǎn)單介紹了這個(gè)有別于傳統(tǒng)CAN標(biāo)準(zhǔn)的高層協(xié)議，更詳細(xì)的論述可以參看ISO 11898-4原文，公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【ISO11898-4】可獲贈(zèng)原文文檔。