隨著工業技術不斷發展
，CAN總線已廣泛應用於，車輛
、航空、醫療等高安全要求領域。高頻發送CAN報bao文wen也ye成cheng為wei安an全quan測ce試shi的de必bi要yao組zu成cheng部bu分fen。在zai信xin號hao正zheng常chang的de網wang絡luo上shang高gao負fu載zai率lv發fa送song測ce試shi時shi，總zong線xian上shang偶ou然ran會hui出chu現xian許xu多duo意yi想xiang不bu到dao的de問wen題ti
，例li如ru出chu現xian大da量liang錯cuo誤wu報bao文wen、被測設備報文周期出現異常
、甚至總線鎖死等。這個時候我們則需要考慮一下CAN網絡上的仲裁是否發生了異常。

 

首先我們來了解一下CAN總線仲裁機製。

 

1 CAN總線仲裁機製

 

CAN總(zong)線(xian)作(zuo)為(wei)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)，每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)偵(zhen)測(ce)到(dao)網(wang)絡(luo)上(shang)正(zheng)在(zai)發(fa)送(song)的(de)數(shu)據(ju)，當(dang)總(zong)線(xian)空(kong)閑(xian)時(shi)每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)均(jun)可(ke)以(yi)發(fa)起(qi)自(zi)身(shen)報(bao)文(wen)發(fa)送(song)。如(ru)果(guo)多(duo)個(ge)節(jie)點(dian)同(tong)時(shi)發(fa)起(qi)報(bao)文(wen)發(fa)送(song)請(qing)求(qiu)，由(you)哪(na)個(ge)節(jie)點(dian)占(zhan)用(yong)總(zong)線(xian)就(jiu)是(shi)仲(zhong)裁(cai)機(ji)製(zhi)的(de)主(zhu)要(yao)用(yong)途(tu)。

 

首先CAN總線物理層通常是雙絞線。當邏輯“1” 被寫進總線時，CANH和CANL的電平都是2.5V
，這種狀態並被定義為“隱性”位；當邏輯“0”被寫進總線時CANH會上拉到為5V

，CANL被下拉到地0V
，這種狀態被定義為“顯性”位。如果顯性位和隱性位被不同的節點同時寫進總線時，總線會表現為“顯性”位。“顯性位覆蓋隱性位”是CAN總線衝突檢測的基礎。

 

當(dang)節(jie)點(dian)開(kai)始(shi)傳(chuan)送(song)它(ta)們(men)各(ge)自(zi)的(de)報(bao)文(wen)時(shi)

，如(ru)果(guo)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)寫(xie)進(jin)了(le)隱(yin)性(xing)位(wei)而(er)讀(du)回(hui)顯(xian)性(xing)位(wei)
，節(jie)點(dian)會(hui)知(zhi)道(dao)另(ling)一(yi)個(ge)高(gao)優(you)先(xian)權(quan)節(jie)點(dian)正(zheng)在(zai)占(zhan)用(yong)總(zong)線(xian)，該(gai)節(jie)點(dian)會(hui)停(ting)止(zhi)傳(chuan)送(song)報(bao)文(wen)並(bing)繼(ji)續(xu)接(jie)收(shou)總(zong)線(xian)報(bao)文(wen)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)叫(jiao)做(zuo)“非破壞性逐位”仲裁。

 

 

圖1 CAN仲裁機製 

 

如圖1所示，在多個節點同時發送報文時

，首次出現不同


，且發送顯性位的節點占用總線。由於CAN報文首先發送的為ID段且顯性位為邏輯“0”，因此ID越小該幀的優先級越高。

 

2 仲裁場

 

似乎按照“非破壞性逐位”仲裁機製，就可以從ID一直仲裁到CRC段，可是CAN傳輸標準並不是這樣， CAN標準要求

，仲裁僅從基本ID第一位開始
，到標準幀的IDE位或擴展幀的RTR位結束。這個區域被定義為仲裁場。如圖2所示。

 

圖2 CAN仲裁場區域

 

依據仲裁場範圍，CAN總線仲裁流程如圖3所示。

 

圖3 CAN仲裁場區域

 

3 仲裁異常的影響

 

在CAN仲裁機製中，理論上仲裁必須在仲裁場完成。不過CAN總線配置錯誤或者測試時發送CAN幀疏忽，也存在仲裁場數據完全相同的情況
，在這樣的情況下會對總線造成什麼後果呢？下麵我們按照CAN通訊原則分析一下仲裁異常時CAN總線可能出現什麼表現。

 

1、仲裁場後數據傳輸不一致

 

在仲裁場結束後CAN節點需要對發送的數據進行一致性對比，如果發送的數據與讀取回得數據不一致
，收發器則需要發送CAN錯誤幀
，以通知總線各個節點自身發送數據錯誤，停止接收並快速進入總線空閑
，以便再次數據發送。

 

圖4 仲裁場後數據傳輸不一致

 

如圖4所示當兩個節點發送的仲裁場相同

，在仲裁場後DLC段發生數據不同情況。發送單元1發現自己本身需要發送的隱性電平而收到的是顯性電平，識別到數據不一致現象後立即發出錯誤幀信息（6個顯性位）。發送單元1發送錯誤信息過程中，發送單元2也將捕獲到自己某個隱性位發送與收取的不一致
，從而也發出主動錯誤幀。最終造成類似圖4總線電平特征。

 

需要注意，大部分CAN收shou發fa器qi在zai發fa送song過guo程cheng中zhong因yin為wei沒mei有you占zhan用yong到dao總zong線xian或huo者zhe發fa送song失shi敗bai，會hui在zai下xia一yi次ci總zong線xian空kong閑xian到dao來lai時shi再zai次ci占zhan用yong總zong線xian發fa送song相xiang同tong的de數shu據ju。因yin此ci當dang出chu現xian仲zhong裁cai場chang數shu據ju相xiang同tong，後hou續xu數shu據ju不bu同tong時shi，有you極ji大da的de可ke能neng造zao成cheng總zong線xian錯cuo誤wu後hou兩liang個ge節jie點dian再zai次ci同tong時shi占zhan用yong總zong線xian，再zai次ci進jin行xing仲zhong裁cai並bing總zong線xian錯cuo誤wu
，甚shen至zhi反fan複fu進jin入ru錯cuo誤wu造zao成cheng網wang絡luo鎖suo死si等deng嚴yan重zhong情qing況kuang。

 

2、仲裁場後數據相同

 

如果兩個CAN節點，發送CAN幀完全相同，兩個發送單元均認為占用了總線，並成功發送完數據。雖然數據發送完成，不過需要注意CAN節點在發送數據幀時
，是不能夠對自己發送的CAN幀進行應答，這個時候則會出現不同的情況。

 

不存在多餘的應答節點

 

圖5 傳輸數據相同無應答

 

當dang所suo有you的de總zong線xian節jie點dian發fa送song的de數shu據ju均jun相xiang同tong
，那na麼me所suo有you節jie點dian認ren為wei自zi己ji成cheng功gong發fa送song了le數shu據ju
，而er等deng待dai總zong線xian其qi他ta節jie點dian應ying答da。此ci時shi發fa送song節jie點dian會hui因yin為wei沒mei有you得de到dao應ying答da而er被beiCAN節點識別為發送失敗，從而重新占用總線再次發送。

（注：此現象與應用層有很大的關係
，節點也可以被識別為發送成功而不再重發。）

 

存在多餘應答節點

 

圖6 傳輸數據相同有應答

 

在多個節點同時發送相同數據到總線
，並存在其他節點不處於發送狀態，其他節點則會對總線進行應答，發送節點會認為CAN數據成功發送。從而隱藏了這種仲裁異常現象。

 

4 仲裁的其他特性與測試建議

 

1、CAN總線中的節點在仲裁失敗、發fa送song失shi敗bai或huo者zhe請qing求qiu發fa送song時shi總zong線xian被bei其qi他ta節jie點dian占zhan用yong，一yi般ban會hui在zai下xia一yi次ci空kong閑xian到dao來lai時shi請qing求qiu發fa送song，總zong線xian負fu載zai率lv越yue高gao，遇yu到dao上shang麵mian的de情qing況kuang概gai率lv也ye就jiu越yue大da
，因yin此ci仲zhong裁cai事shi件jian的de發fa生sheng常chang出chu現xian在zai高gao負fu載zai率lv的de總zong線xian環huan境jing下xia，如ru果guo可ke以yi控kong製zhi總zong線xian負fu載zai率lv在zai合he理li範fan圍wei內nei，可ke以yi大da大da減jian少shao仲zhong裁cai事shi件jian的de發fa生sheng。

 

2
、每個CAN節點在發送報文時，顯性電平都存在一定的驅動能力
，在仲裁事件發生時

，由於多個節點同時驅動總線
，會造成CAN總線顯性電平電壓與平時高一點（驅動點越多
，電壓越高）。同時由於每個節點同步性可能存在微小的差異，其脈寬也可能發生改變。 

 

3、當需要測試指定節點長時間占用不到總線的表現時，應該使用高優先級測試報文進行高負載率發送（盡可能達到100%）。gaoyouxianjibaowenyizhizhanyongzongxian
，diyouxianjibaowenyongyuanzhanyongbudaozongxian。dangxuyaobufenyunxubufenjinzhi，yingshezhiceshibaowenyouxianjizaiyunxubaowenyubuyunxubaowenzhijian。

 

4
、如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)測(ce)試(shi)指(zhi)定(ding)節(jie)點(dian)高(gao)負(fu)載(zai)率(lv)情(qing)況(kuang)下(xia)報(bao)文(wen)周(zhou)期(qi)特(te)性(xing)，發(fa)送(song)的(de)報(bao)文(wen)優(you)先(xian)級(ji)不(bu)能(neng)高(gao)於(yu)被(bei)測(ce)節(jie)點(dian)周(zhou)期(qi)特(te)性(xing)報(bao)文(wen)的(de)優(you)先(xian)級(ji)。如(ru)果(guo)被(bei)測(ce)節(jie)點(dian)滿(man)足(zu)周(zhou)期(qi)性(xing)，周(zhou)期(qi)到(dao)來(lai)後(hou)的(de)第(di)一(yi)個(ge)空(kong)閑(xian)後(hou)報(bao)文(wen)發(fa)送(song)就(jiu)可(ke)以(yi)仲(zhong)裁(cai)成(cheng)功(gong)將(jiang)該(gai)周(zhou)期(qi)報(bao)文(wen)成(cheng)功(gong)發(fa)送(song)。

 

5、在某些CAN高層總線協議中，存在可變優先級字段
，（依據請求發送等待時間變化優先級）。如果需要驗證報文優先級變化特性
，所發送的報文優先級，需要使用高於初次請求優先級，低於最高優先級的報文。

5 總結

 

CAN總線中

，無論節點還是測試設備發送報文仲裁場應該不同，這樣可以避免因仲裁異常造成的錯誤出現。同樣在CAN測試時，應依據測試目的選擇合理的CAN報文ID

，避免仲裁特性影響測試效果。

 

 

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