總線關閉是CAN節(jié)點比較重要的錯誤處理機制。在總線關閉狀態(tài)下，CAN節(jié)點的恢復流程是怎樣的？如何理解節(jié)點恢復流程的“快恢復”和“慢恢復”機制？本文將為大家詳細分析總線關閉及恢復的機制和原理。

故障界定與總線關閉狀態(tài)

為了避免某個設備因為自身原因（例如硬件損壞）導致無法正確收發(fā)報文而不斷的破壞總線的數(shù)據(jù)幀，從而影響其它正常節(jié)點通信，CAN網絡具有嚴格的錯誤診斷功能，CAN通用規(guī)范中規(guī)定每個CAN控制器中有一個發(fā)送錯誤計數(shù)器和一個接收錯誤計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)值不同，節(jié)點會處于不同的錯誤狀態(tài)，并根據(jù)計數(shù)值的變化進行狀態(tài)轉換，狀態(tài)轉換如下圖所示。

圖1 節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形1

以上三種錯誤狀態(tài)表示發(fā)生故障的嚴重程度，總線關閉是節(jié)點最嚴重的錯誤狀態(tài)。并且，節(jié)點在不同的狀態(tài)下具有不同的特性，在總線關閉狀態(tài)下，節(jié)點不能發(fā)送報文或應答總線上的報文，也就意味著不能再對總線有任何影響。

狀態(tài)跳轉和錯誤計數(shù)的規(guī)則使得節(jié)點在發(fā)生通信故障時有了較好的自我錯誤處理和恢復機制，從一種較嚴重的錯誤狀態(tài)跳轉到另一種嚴重性相對較低的狀態(tài)，本質上就是一種恢復過程。圖1所呈現(xiàn)的轉換過程是CAN通用規(guī)范所要求的，我們從設備供應商買回來的CAN控制器已經把這些功能固化在硅片之中。

在通信過程中，錯誤主動和錯誤被動兩種狀態(tài)下節(jié)點的恢復過程一般不需要MCU進行額外的編程處理，直接使用CAN控制器固有功能即可。但對于總線關閉狀態(tài)，往往不直接使用CAN控制器固有的恢復過程，而是對其進行編程控制，以實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”機制。

注：1、由于篇幅有限，關于錯誤計數(shù)的詳細規(guī)則以及各狀態(tài)下節(jié)點的具體特性不在本文進行討論，讀者可以查閱CAN的相關協(xié)議規(guī)范。2、本文的“CAN控制器”是指已經實現(xiàn)了CAN通用協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層所要求的功能和特性的器件，如SJA1000；而“節(jié)點”是指把CAN控制器與MCU、收發(fā)器等相關器件進行整合開發(fā)出來的具有一定功能的CAN節(jié)點。

為什么需要對總線關閉狀態(tài)的節(jié)點實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”策略？

當節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后，如果MCU僅是開啟自動恢復功能，CAN控制器在檢測到128次11個連續(xù)的隱性位后即可恢復通信，在實際的CAN通信總線中，這一條件是很容易達到的。

以125K的波特率為例，128*11*（1/125000）= 0.011264s。這意味著如果節(jié)點所在的CAN總線的幀間隔時間大于0.011264s，節(jié)點在總線空閑時間內便可輕易恢復通信。我們已經知道，當進入總線關閉狀態(tài)時，節(jié)點已經發(fā)生了嚴重的錯誤，處于不可信狀態(tài)，如果迅速恢復參與總線通信，具有較高的風險，因此，在實際的應用中，往往會通過MCU對CAN控制器總線關閉狀態(tài)的恢復過程進行編程處理，以控制節(jié)點從總線關閉狀態(tài)恢復到錯誤主動狀態(tài)的等待時間，達到既提高靈活性又保證節(jié)點在功能上的快速響應性的目的。具體包括“快恢復”和“慢恢復”策略，兩種策略一般同時應用。

通過以上的討論，我們可以知道，節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后，存在以下幾種恢復情況：

MCU僅開啟CAN控制器的自動恢復功能，節(jié)點只需檢測到128次11個連續(xù)的隱性位便可以恢復通信，恢復過程如圖1所示。

MCU沒有開啟CAN控制器的自動恢復功能，也不主動干預總線關閉錯誤，節(jié)點將一直無法“自動”恢復總線通信，只能通過重新上電的方式使節(jié)點恢復， 恢復過程如圖2所示。

圖2 節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形2

MCU對CAN控制器的恢復過程進行編程處理，這時，節(jié)點的恢復行為由具體的編程邏輯決定，各廠家普遍采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復策略，恢復過程如圖3所示。

圖3 節(jié)點狀態(tài)轉換圖情形3

MCU如何實現(xiàn)“快恢復”和“慢恢復”？

MCU編程實現(xiàn)總線關閉“快恢復”和“慢恢復”的一般過程可用以下流程圖描述：

圖4 MCU實現(xiàn)總線關閉恢復流程

節(jié)點以正常發(fā)送模式發(fā)送報文的過程中，如果出現(xiàn)了發(fā)送錯誤，發(fā)送錯誤計數(shù)會增加，只要發(fā)送錯誤計數(shù)沒有超過255， CAN控制器便會自動重發(fā)報文，如果出現(xiàn)多次發(fā)送錯誤，使發(fā)送錯誤計數(shù)累加超過255，則節(jié)點跳轉為總線關閉狀態(tài)。MCU能夠第一時間知道節(jié)點進入了總線關閉狀態(tài)（例如在錯誤中斷處理邏輯中查詢狀態(tài)寄存器的相應位），這時MCU控制CAN控制器進入“快恢復”過程，即控制CAN控制器停止報文收發(fā)，并進行等待，計時達到需要的時間T1（如100ms）后，MCU重新啟動恢復CAN控制器參與總線通信，這樣便完成了一次“快恢復”過程。

節(jié)點每進入一次“快恢復”過程時，MCU會對此進行計數(shù)，當節(jié)點“快恢復”計數(shù)達到設定的值N（如5次），則后續(xù)再次進入總線關閉狀態(tài)時MCU把恢復總線通信的等待時間T2進行延長（如1000ms），這樣便實現(xiàn)了“慢恢復”過程。“快恢復”和“慢恢復”過程的主要區(qū)別就在于恢復節(jié)點參與總線通信的等待時間的不同。

通過MCU對于總線關閉后的恢復行為進行編程控制，實際上是對CAN控制器的錯誤管理和恢復機制進行了補充，使得總線關閉狀態(tài)后的恢復過程更加靈活，更能適應實際應用的需要。對于 “快恢復”和“慢恢復”的等待時間，以及“快恢復”計數(shù)多少次后進入“慢恢復”過程，不同廠家可根據(jù)具體的需求進行編程實現(xiàn)。

實測總線關閉恢復過程

通過廣州致遠電子有限公司的CAN總線分析儀的流量分析功能，可以很方便分析總線關閉后節(jié)點的恢復過程及測試“快恢復”和“慢恢復”的恢復時間。

第一步，連接DUT但先不要上電。按以下配置，使能接收干擾功能，并開啟報文讀取功能。

圖5 功能設置

第二步，給DUT上電，并采集一段時間報文，停止采集后使用流量分析功能進行分析。

圖6 采集報文并進行流量分析

第三步，鼠標放置于波形“團”（本文把包含多幀密集幀的波形稱為波形“團”）之間讀取恢復時間。

圖7 讀取恢復時間

至此，我們便可以得出結論：該DUT對總線關閉的恢復過程進行了編程控制，采用了先“快恢復”后“慢恢復”的恢復機制，節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)后，進行一次“快恢復”過程，后續(xù)進行“慢恢復”過程，兩個恢復過程的恢復時間分別為27.5ms和209.5ms。

那么，我們該如何根據(jù)所得波形理解該DUT進入總線關閉狀態(tài)及恢復通信的整個過程呢？

把第一個波形“團”放大得到下圖：

圖8 放大波形“團”觀察

可以清晰的看到，波形“團”中包含共32幀CAN報文。把其余各波形“團”放大后也都是包含32幀，這里不再把詳細的圖片貼出來。

DUT上電后，初始發(fā)送和接收錯誤計數(shù)都為0。由于在測試時配置了接收干擾功能，當DUT開始發(fā)送報文后，每一幀報文都受到CAN總線分析儀的干擾而出現(xiàn)發(fā)送錯誤，第一次發(fā)送時發(fā)送錯誤計數(shù)加8，并自動重發(fā)，第二次發(fā)送時錯誤計數(shù)再加8，直到發(fā)送了32次后，發(fā)送錯誤計數(shù)大于255，根據(jù)圖3的錯誤狀態(tài)的轉換規(guī)則，這時DUT跳轉為總線關閉狀態(tài)，MCU控制進入“快恢復”過程同時對“快恢復”次數(shù)進行計數(shù)，并等待約27ms后，MCU控制DUT從總線關閉狀態(tài)恢復為錯誤主動狀態(tài)，由MCU繼續(xù)啟動發(fā)送，由于仍然受CAN總線分析儀的持續(xù)干擾，發(fā)送32幀后再次進入總線關閉狀態(tài)，再次執(zhí)行“快恢復”或“慢恢復”過程，以此類推。

根據(jù)流量分析的結果可知，該DUT進入“快恢復”的計數(shù)達到1次后便執(zhí)行“慢恢復”過程，“慢恢復”等待時間約為209ms。

注：1、干擾的設置可以根據(jù)需要設置其他的參數(shù)，只要保證能對DUT發(fā)送的幀進行干擾使其出現(xiàn)發(fā)送錯誤即可。2、為了分析完整的總線關閉恢復過程，建議DUT和CAN總線分析儀連接好后，先開啟“報文讀取”和“接收干擾”功能后再上電DUT。因為這樣能確保DUT的接收錯誤計數(shù)和發(fā)送錯誤計數(shù)的初始計數(shù)都為0。3、需要對DUT進行連續(xù)的干擾，否則DUT恢復后成功發(fā)送了報文，“快恢復”次數(shù)的計數(shù)會遞減，這不利于分析DUT總線關閉后的整個恢復行為。 4、總線關閉后節(jié)點的“恢復”是指恢復參與總線的通信，但并不意味著恢復后一定能成功發(fā)送或接收報文。如上述案例，DUT恢復通信后由于仍然受CAN總線分析儀的干擾，導致報文發(fā)送再次失敗。

總結

在總線關閉狀態(tài)下，“快恢復”和“慢恢復”不是CAN控制器固有的功能，而是通過MCU的編程邏輯實現(xiàn)的恢復機制，是總線關閉狀態(tài)下恢復過程的補充，使恢復過程更具有靈活性。
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