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CAN优先级倒置原因与对策分析

作者:时间:2013-01-16来源:网络收藏

总线起始于1986年左右,至今仍广泛应用。现在人们对安全的要求已大为提高,所以要不断仔细审视的安全性能。现在已经发现的重要的问题有:在消极报错状态下可能出现等效离线,使节点不能收发的时间相当长[1];错帧漏检率的估计不准,特别在误码率高时比Bosch CAN2.0数据高多个数量级[2],在单目的地址时影响数据正确性,在多个目的地址时会影响数据一致性;标准的振荡源精度要求偏低[3],使误用廉价器件成为可能,影响系统的稳定性;本文发现的倒置的可能性,使调度结果的可信度下降;在数据帧倒数第二位的局部错可能引起不一致的接收重复或丢失[4]。所以在FlexRay尚未达到预定目标、无论在可靠性还是价格上能取代CAN以前,对CAN作进一步的改进仍然是非常有意义的。

CAN是一种代表性的事件触发通信协议,同时发生的多个通信请求将按照消息的进行无损仲裁,高的胜出。按照消息的优先级进行无损仲裁是CAN原始专利的唯一权利要求[5]。对于低优先级的消息而言,送达时间将受到高优先级消息的阻扰,在高优先级消息为周期性时,最坏送达时间是可以预先计算出的[6]。如果能安排好发送消息的初始相位并作宽松的时钟同步,这个最坏送达时间可以大为减少。事件触发协议的优点是总线带宽可以得到充分利用。另一个优点是高优先级消息可得到迅速发送。但是由于工业环境中普遍存在的电磁干扰,总线上会有毛刺,CAN总线的标准中已考虑到应对方法。现在发现毛刺应对方法可能使节点的同步受到影响,从而损及高优先级消息的发送机会,出现优先级的倒置,动摇了CAN总线的基本性能。

1 毛刺的存在

车内电磁环境恶劣, ISO 76372/3总结出代表性的传导和辐射干扰。有人专门作了辐射干扰的实验,参考文献[7]的实验中用24 V蓄电池给车内常用的继电器供电(CAN系统供电是独立的),电源线与CAN电缆靠得很近,在电缆线有屏蔽、线长为2 m时,手动开关继电器时可以看到CAN波形上叠加的毛刺,辐射干扰实验结果如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/196179.htm


辐射干扰实验结果
图1 辐射干扰实验结果

实际汽车上也见到CAN总线失效的报告[8]:丰田汽车在经销商产品报告中确认,由任何原因召回的车中发现丢失CAN数据的记录有292宗。毛刺是引起CAN总线出错的可能原因,其具体诱发过程需要仔细,不能掉以轻心。

2 CAN位时间与消息仲裁原理

CAN总线把位时间划分为NBT等分的时间片,称为Tq。CAN总线控制器按Tq对总线上的差分电平进行采样,以决定内部状态。当总线上没有通信时,称为总线空闲,电平差在0~0.5 V,逻辑值为“1”。电平差为0.9 V以上时逻辑值为“0”。 由图1可知,存在“0“毛刺,也存在“1“毛刺。CAN总线驱动器的特性是线与,当“1”和“0”同时发生时,总线的电平为“0”,这便是仲裁功能。一帧开始发送的第一位是“0“,称为SOF,然后是消息的标识符ID。ID代表了消息的优先级,每个节点通过位采样知道总线上仲裁的结果,正常工作时如果发送“1”而读回“0”,表示本发送节点本次ID发送失败,需等下一次帧发送机会。

总线空闲时,一个有发送要求的节点须先观察是否有别的节点已经开始发送,如已开始就不能发送。正是这里,由一个“0”毛刺开始的时段可以误解为别的节点已开始传送SOF,毛刺阻断了该节点的发送(不管该节点要传送的消息优先级有多高)。

由于传送电缆延迟以及中间器件(如光隔离)的延迟τ,节点将见不到提前量τ以内发送的别的节点的SOF。同理,别的节点要经过τ以后才见到该节点发送的SOF,τ以后别的节点就因总线上已有发送而不允许发送了。这样,在本节点请求时刻±τ内的发送被认为是“同时”请求发送,它们将按ID仲裁。对迟于其τ的其他低优先级帧的发送,它也是必然胜出的。

3 CAN位时间同步的有关规定

CAN的位时间分为同步段(Sync)、传输段(Tprop)、缓冲1段(Ph1)与缓冲2段(Ph2),位值采样在Ph1 与Ph2之间。位值变化时将有跳变沿,只有1/0为同步用的跳变沿。跳变沿决定了相位差e,跳变沿在Ph2内e为负,在Sync内为0,在Tprop和Ph1内为正。每个节点根据e实行同步,同步的修正量受同步的种类限制。同步分两种:硬同步与重同步。硬同步对应帧开始时的情况,重同步对应帧内有同步沿时的情况。对重同步而言,每次的修正量不能大于称为重同步宽度的可预先设定的量SJW,SJW=min(Ph1,Ph2)。

有关本文讨论内容的CAN总线标准为ISO 118981(2003)[9]及ISO 16845(2004)[10],正是这些条款的规定保证了CAN总线协议在高度干扰的环境下能可靠工作。

ISO 118981第10.4.2.2款规定,节点只有在总线空闲时可以发SOF,在服务间隔第3位(I.M.3)的“0”视为SOF。

ISO 118981第12.4.2.1款规定硬同步在帧间的间隔中实行。而帧间间隔包括服务间隔和总线空闲,对上次发送的消极报错节点还包括禁发时间。因此,在I.M.3的跳变沿也是作硬同步用的。

ISO 118981第12.4.2.4款规定,重同步的目的是校正采样点的位置,e为“+”时延长Ph1,e为“-”时缩短Ph2。校正量在e小于或等于SJW时为e,反之为SJW。

ISO 16845第7.7.2款规定了接收节点对SOF的硬同步验证方法意味着同步段SYNC直接同步于1/0跳变沿。

ISO 16845第8.7.2.1款规定了发送节点在I.M.3位值采样点前有1/0沿时的硬同步验证方法:测试设备在被测单元I.M.3采样点前Tq加被测单元内部处理时间前发0,要求被测单元在跳变沿1位后发ID最高位。这意味着发送节点要与I.M.3内1/0跳变沿硬同步,0值被采样,下一位不再发SOF而是发ID最高位。

ISO 16845第8.7.3.1款规定了发送节点在I.M.3位值采样点后有1/0沿时的硬同步验证方法:测试设备在被测单元I.M.3采样点后1个被测单元内部处理时间后发0,要求被测单元在跳变沿后1 Tq立即发SOF。这意味着发送节点是硬同步,但开始发SOF。

ISO 118981第4.18和4.16款规定了发送节点和接收节点的定义。发送节点指的是发数据帧或远程帧的节点,其状态维持到仲裁失败退出或总线再度空闲,否则就是接收节点。因此总线空闲时遇到毛刺,则大家都是接收节点。

ISO 16845第7.7.9款规定了接收节点在总线空闲时对毛刺滤除的验证方法:要确定对总线空闲时短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF处理。也就是说硬同步后未被采样到就不算作SOF。

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