干貨分享丨淺談CAN總線的仲裁機制
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報文也成為安全測試的必要組成部分。
在信號正常的網(wǎng)絡(luò)上高負載率發(fā)送測試時，總線上偶然會出現(xiàn)許多意想不到的問題，例如出現(xiàn)大量錯誤報文、被測設(shè)備報文周期出現(xiàn)異常、甚至總線鎖死等，這個時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)中多個設(shè)備或模塊可能同時申請對總線的使用權(quán)，為避免產(chǎn)生總線沖突，需由總線仲裁機構(gòu)合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的申請者，在多個申請者同時提出總線請求時，以一定的優(yōu)先算法仲裁哪個應(yīng)獲得對總線的使用權(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總線仲裁機制
報文的優(yōu)先級，是通過對 ID 的仲裁來確定的。CAN總線上有兩種電平狀態(tài)，如果總線上同時出現(xiàn)顯性電平和隱性電平，總線的狀態(tài)會被置為顯性電平,CAN正是利用這個特性進行仲裁。
對于CAN來說，0為顯性，1為隱性。所以當(dāng)對不同的ID號來進行仲裁時，ID號越小，優(yōu)先級越高。對于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴展數(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)先級更高。
當(dāng)總線空閑時，有多個節(jié)點同時需要發(fā)送報文，那么每個節(jié)點的發(fā)送器將會對發(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候在參與總線的仲裁競爭。
03、關(guān)于CAN總線仲裁的疑問
（1）什么時候出現(xiàn)CAN仲裁？
當(dāng)總線上的節(jié)點監(jiān)聽到總線空閑時，此時2個及以上的節(jié)點同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，此時會觸發(fā)CAN總線仲裁機制，來避免數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤。
（2）那么總線仲裁丟失的節(jié)點，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，優(yōu)先級高的繼續(xù)發(fā)送，低的退回，等待高優(yōu)先級幀發(fā)送完成，總線空閑后再進行發(fā)送。
需要注意的是在整個過程中兩個節(jié)點都在監(jiān)聽總線，也就是說接收是不受發(fā)送狀態(tài)限制的，也就沒有轉(zhuǎn)為接收這一說，所以也就不會出現(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)點在仲裁失敗、發(fā)送失敗或者請求發(fā)送時總線被其他節(jié)點占用，一般會在下一次空閑到來時請求發(fā)送。總線負載率越高，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)在高負載率的總線環(huán)境下。如果可以控制總線負載率在合理范圍內(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，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設(shè)各都有機會取得總線的控制權(quán)并向外發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在同一時刻有2個或2個以上的設(shè)各要求發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生總線沖突，CAN總線能夠?qū)崟r地檢測這些沖突并對其進行仲裁，從而使具有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)不受任何損壞地傳輸。
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