2019年04月03日 | 技术文章—浅谈CAN发送仲裁机制

随着工业技术不断发展，CAN总线已广泛应用于，车辆、航空、医疗等高安全要求领域。高频发送CAN报文也成为安全测试的必要组成部分。在信号正常的网络上高负载率发送测试时，总线上偶然会出现许多意想不到的问题，例如出现大量错误报文、被测设备报文周期出现异常、甚至总线锁死等。这个时候我们则需要考虑一下CAN网络上的仲裁是否发生了异常。

首先我们来了解一下CAN总线仲裁机制。

一、 CAN总线仲裁机制

CAN总线作为现场总线，每个节点可以同时侦测到网络上正在发送的数据，当总线空闲时每个节点均可以发起自身报文发送。如果多个节点同时发起报文发送请求，由哪个节点占用总线就是仲裁机制的主要用途。

首先CAN总线物理层通常是双绞线。当逻辑“1” 被写进总线时，CANH和CANL的电平都是2.5V，这种状态并被定义为“隐性”位；当逻辑“0”被写进总线时CANH会上拉到为5V，CANL被下拉到地0V，这种状态被定义为“显性”位。如果显性位和隐性位被不同的节点同时写进总线时，总线会表现为“显性”位。“显性位覆盖隐性位”是CAN总线冲突检测的基础。

当节点开始传送它们各自的报文时，如果一个节点写进了隐性位而读回显性位，节点会知道另一个高优先权节点正在占用总线，该节点会停止传送报文并继续接收总线报文。这种技术叫做“非破坏性逐位”仲裁。

图1 CAN仲裁机制

如图1所示，在多个节点同时发送报文时，首次出现不同，且发送显性位的节点占用总线。由于CAN报文首先发送的为ID段且显性位为逻辑“0”，因此ID越小该帧的优先级越高。

二、 仲裁场

似乎按照“非破坏性逐位”仲裁机制，就可以从ID一直仲裁到CRC段，可是CAN传输标准并不是这样， CAN标准要求，仲裁仅从基本ID第一位开始，到标准帧的IDE位或扩展帧的RTR位结束。这个区域被定义为仲裁场。如图2所示。

图2 CAN仲裁场区域

依据仲裁场范围，CAN总线仲裁流程如图3所示。

图3 CAN仲裁场区域

三、 仲裁异常的影响

在CAN仲裁机制中，理论上仲裁必须在仲裁场完成。不过CAN总线配置错误或者测试时发送CAN帧疏忽，也存在仲裁场数据完全相同的情况，在这样的情况下会对总线造成什么后果呢？下面我们按照CAN通讯原则分析一下仲裁异常时CAN总线可能出现什么表现。

1、仲裁场后数据传输不一致

在仲裁场结束后CAN节点需要对发送的数据进行一致性对比，如果发送的数据与读取回得数据不一致，收发器则需要发送CAN错误帧，以通知总线各个节点自身发送数据错误，停止接收并快速进入总线空闲，以便再次数据发送。

图4 仲裁场后数据传输不一致

如图4所示当两个节点发送的仲裁场相同，在仲裁场后DLC段发生数据不同情况。发送单元1发现自己本身需要发送的隐性电平而收到的是显性电平，识别到数据不一致现象后立即发出错误帧信息（6个显性位）。发送单元1发送错误信息过程中，发送单元2也将捕获到自己某个隐性位发送与收取的不一致，从而也发出主动错误帧。最终造成类似图4总线电平特征。

需要注意，大部分CAN收发器在发送过程中因为没有占用到总线或者发送失败，会在下一次总线空闲到来时再次占用总线发送相同的数据。因此当出现仲裁场数据相同，后续数据不同时，有极大的可能造成总线错误后两个节点再次同时占用总线，再次进行仲裁并总线错误，甚至反复进入错误造成网络锁死等严重情况。

2、仲裁场后数据相同

如果两个CAN节点，发送CAN帧完全相同，两个发送单元均认为占用了总线，并成功发送完数据。虽然数据发送完成，不过需要注意CAN节点在发送数据帧时，是不能够对自己发送的CAN帧进行应答，这个时候则会出现不同的情况。

a、不存在多余的应答节点

图5 传输数据相同无应答

当所有的总线节点发送的数据均相同，那么所有节点认为自己成功发送了数据，而等待总线其他节点应答。此时发送节点会因为没有得到应答而被CAN节点识别为发送失败，从而重新占用总线再次发送。

（注：此现象与应用层有很大的关系，节点也可以被识别为发送成功而不再重发。）

b、存在多余应答节点

图6 传输数据相同有应答

在多个节点同时发送相同数据到总线，并存在其他节点不处于发送状态，其他节点则会对总线进行应答，发送节点会认为CAN数据成功发送。从而隐藏了这种仲裁异常现象。

三、仲裁的其他特性与测试建议

1、CAN总线中的节点在仲裁失败、发送失败或者请求发送时总线被其他节点占用，一般会在下一次空闲到来时请求发送，总线负载率越高，遇到上面的情况概率也就越大，因此仲裁事件的发生常出现在高负载率的总线环境下，如果可以控制总线负载率在合理范围内，可以大大减少仲裁事件的发生。

2、每个CAN节点在发送报文时，显性电平都存在一定的驱动能力，在仲裁事件发生时，由于多个节点同时驱动总线，会造成CAN总线显性电平电压与平时高一点（驱动点越多，电压越高）。同时由于每个节点同步性可能存在微小的差异，其脉宽也可能发生改变。

3、当需要测试指定节点长时间占用不到总线的表现时，应该使用高优先级测试报文进行高负载率发送（尽可能达到100%）。高优先级报文一直占用总线，低优先级报文永远占用不到总线。当需要部分允许部分禁止，应设置测试报文优先级在允许报文与不允许报文之间。

4、如果需要测试指定节点高负载率情况下报文周期特性，发送的报文优先级不能高于被测节点周期特性报文的优先级。如果被测节点满足周期性，周期到来后的第一个空闲后报文发送就可以仲裁成功将该周期报文成功发送。

5、在某些CAN高层总线协议中，存在可变优先级字段，（依据请求发送等待时间变化优先级）。如果需要验证报文优先级变化特性，所发送的报文优先级，需要使用高于初次请求优先级，低于最高优先级的报文。

CAN总线中，无论节点还是测试设备发送报文仲裁场应该不同，这样可以避免因仲裁异常造成的错误出现。同样在CAN测试时，应依据测试目的选择合理的CAN报文ID，避免仲裁特性影响测试效果。