干貨分享丨淺談CAN總線的仲裁機(jī)制
隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，CAN總線已廣泛應(yīng)用于車輛、航空、醫(yī)療等高安全要求領(lǐng)域。高頻發(fā)送CAN報(bào)文也成為安全測(cè)試的必要組成部分。
在信號(hào)正常的網(wǎng)絡(luò)上高負(fù)載率發(fā)送測(cè)試時(shí)，總線上偶然會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的問(wèn)題，例如出現(xiàn)大量錯(cuò)誤報(bào)文、被測(cè)設(shè)備報(bào)文周期出現(xiàn)異常、甚至總線鎖死等，這個(gè)時(shí)候我們則需要考慮一下CAN網(wǎng)絡(luò)上的仲裁是否發(fā)生了異常。
01、什么是總線仲裁
系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備或模塊可能同時(shí)申請(qǐng)對(duì)總線的使用權(quán)，為避免產(chǎn)生總線沖突，需由總線仲裁機(jī)構(gòu)合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的申請(qǐng)者，在多個(gè)申請(qǐng)者同時(shí)提出總線請(qǐng)求時(shí)，以一定的優(yōu)先算法仲裁哪個(gè)應(yīng)獲得對(duì)總線的使用權(quán)。只有獲得了總線控制權(quán)的設(shè)備，才能開始傳送數(shù)據(jù)。
02、CAN總線仲裁機(jī)制
報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，是通過(guò)對(duì) ID 的仲裁來(lái)確定的。CAN總線上有兩種電平狀態(tài)，如果總線上同時(shí)出現(xiàn)顯性電平和隱性電平，總線的狀態(tài)會(huì)被置為顯性電平,CAN正是利用這個(gè)特性進(jìn)行仲裁。
對(duì)于CAN來(lái)說(shuō)，0為顯性，1為隱性。所以當(dāng)對(duì)不同的ID號(hào)來(lái)進(jìn)行仲裁時(shí)，ID號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)越高。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的仲裁，如下圖黃色所示，標(biāo)準(zhǔn)幀中的RTR為0，SRR中為1，所以標(biāo)準(zhǔn)幀的優(yōu)先級(jí)更高。
當(dāng)總線空閑時(shí)，有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要發(fā)送報(bào)文，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送器將會(huì)對(duì)發(fā)送位的電平和被監(jiān)控的總線電平做比較。
如果電平相同，那么該節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送；如果發(fā)送的為一“隱性”電平（1），但是監(jiān)控到一“顯性”電平（0），那么該節(jié)點(diǎn)失去仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)，只到下一次總線空閑的時(shí)候在參與總線的仲裁競(jìng)爭(zhēng)。
03、關(guān)于CAN總線仲裁的疑問(wèn)
（1）什么時(shí)候出現(xiàn)CAN仲裁？
當(dāng)總線上的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到總線空閑時(shí)，此時(shí)2個(gè)及以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)會(huì)觸發(fā)CAN總線仲裁機(jī)制，來(lái)避免數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤。
（2）那么總線仲裁丟失的節(jié)點(diǎn)，失去總線控制權(quán)后，立即轉(zhuǎn)為接收么？
根據(jù)標(biāo)示符判斷幀的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的繼續(xù)發(fā)送，低的退回，等待高優(yōu)先級(jí)幀發(fā)送完成，總線空閑后再進(jìn)行發(fā)送。
需要注意的是在整個(gè)過(guò)程中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽總線，也就是說(shuō)接收是不受發(fā)送狀態(tài)限制的，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)為接收這一說(shuō)，所以也就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整的幀，所以仲裁期間發(fā)送的位也是可以接收的。
（3）如何減少仲裁事件的發(fā)生？
CAN總線中的節(jié)點(diǎn)在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請(qǐng)求發(fā)送時(shí)總線被其他節(jié)點(diǎn)占用，一般會(huì)在下一次空閑到來(lái)時(shí)請(qǐng)求發(fā)送。總線負(fù)載率越高，遇到上面的情況概率也就越大，因此仲裁事件的發(fā)生常出現(xiàn)在高負(fù)載率的總線環(huán)境下。如果可以控制總線負(fù)載率在合理范圍內(nèi)，可以大大減少仲裁事件的發(fā)生。
CAN總線采用“載波監(jiān)測(cè)，CSMA／CA的通信模式。這種總線仲裁方式允許總線上的任何一個(gè)設(shè)各都有機(jī)會(huì)取得總線的控制權(quán)并向外發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在同一時(shí)刻有2個(gè)或2個(gè)以上的設(shè)各要求發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生總線沖突，CAN總線能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)這些沖突并對(duì)其進(jìn)行仲裁，從而使具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)不受任何損壞地傳輸。
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