作者 |Dawnfly
小編 | 不吃豬頭肉

引言

CAN（Controller Area Network）協(xié)議是當(dāng)前使用最普遍的車載通信協(xié)議之一，其優(yōu)點不只體現(xiàn)在多主并行、最高達(dá)1Mbit/sec的傳輸速率（針對標(biāo)準(zhǔn)CAN）、基于優(yōu)先級的仲裁機制以及廣播發(fā)送的短幀結(jié)構(gòu)，還體現(xiàn)在其錯誤檢測機制上。通過總線數(shù)據(jù)以及總線波形來分析總線故障時，CAN協(xié)議錯誤檢測機制中豐富的錯誤幀類型能讓定位問題的效率更高。錯誤幀是CAN協(xié)議進(jìn)行錯誤報告的方式，可以將總線上任何一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)錯誤的信號通知給其他節(jié)點。作為一名總線測試工程師，在日常測試過程中不可避免的會接觸到錯誤幀，因此了解錯誤幀的作用、類型與產(chǎn)生原因，對于測試工作的順利開展有很大的幫助。

CAN錯誤幀格式

圖1 錯誤幀通用格式

CAN錯誤幀通用格式如上圖1所示，主要包括錯誤標(biāo)志和錯誤界定符兩個部分，其形成的原理以及作用如下：

錯誤標(biāo)志

出現(xiàn)錯誤后若CAN節(jié)點處在主動錯誤階段則發(fā)送6個連續(xù)顯性位，在被動錯誤階段則發(fā)送6個連續(xù)隱性位。由于6個連續(xù)相同的位違背了位填充規(guī)則會引發(fā)填充錯誤，會使其他節(jié)點也發(fā)送錯誤標(biāo)志，因此，一個錯誤標(biāo)志通常由兩個連續(xù)6位的信號組成，由于會存在錯誤標(biāo)志的重疊，所以錯誤標(biāo)志的長度會在6-12位的范圍。

錯誤界定符

錯誤界定符由8個連續(xù)隱性位組成，所有節(jié)點在發(fā)送錯誤標(biāo)志后，都會向總線發(fā)送1個隱性位，若檢測到總線上該位為隱性，則發(fā)送剩下的7個隱性位。

CAN錯誤幀分類

CAN錯誤幀根據(jù)產(chǎn)生錯誤的節(jié)點類型可以分為發(fā)送錯誤和接收錯誤兩大類，根據(jù)錯誤產(chǎn)生的原因則可以分為位錯誤、填充錯誤、ACK錯誤、格式錯誤以及CRC錯誤，下圖2為各類錯誤幀所檢測范圍的分布。

圖2 錯誤檢測分布

位錯誤：回讀總線位狀態(tài)與自身發(fā)送的位不同，發(fā)送節(jié)點發(fā)送錯誤幀，需要注意仲裁段和ACK位發(fā)送隱性位但是回讀到顯性位除外。

填充錯誤：違反位填充規(guī)則，發(fā)送節(jié)點在發(fā)送報文時遇到5個相同極性位后需要插入1個極性相反的位，接收節(jié)點再接收報文時則需要刪除填充位。如果接收到的報文存在6個相同極性的位，則第6個位便是出現(xiàn)了填充錯誤，需要在該位后發(fā)送錯誤幀。

ACK錯誤：當(dāng)發(fā)送節(jié)點發(fā)送報文后，在ACK位沒有在總線上檢測到其他節(jié)點發(fā)送的顯性電平。

格式錯誤：固定格式位場（如CRC界定符、ACK界定符、EOF等）與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義的顯隱性不同則會被檢測為非法位觸發(fā)格式錯誤，發(fā)送和接收節(jié)點都會發(fā)送錯誤幀。

CRC錯誤：接收節(jié)點計算的CRC序列與接收到報文中的CRC序列不同。

錯誤幀的表現(xiàn)形式

圖3 實驗環(huán)境配置

為了更直觀的展示各種錯誤幀類型，搭建了如圖3所示的實驗環(huán)境，以VN1630為發(fā)送節(jié)點，VH6501為接收節(jié)點，結(jié)合VH6501的報文干擾功能制造各類錯誤幀。

1. 發(fā)送錯誤

位錯誤

如圖4所示，用VH6501干擾發(fā)送節(jié)點仿真報文的SOF位后，SOF位出現(xiàn)位錯誤，在Bit0開始發(fā)送錯誤幀，接收節(jié)點在Bit5檢測到存在6個連續(xù)的隱性位，觸發(fā)填充錯誤。

圖4 位錯誤報文示例

ACK錯誤

按照CAN協(xié)議的規(guī)定，在一幀報文發(fā)出之后，如果接收節(jié)點成功接收了該幀報文，則接收節(jié)點需要在該幀報文ACK段內(nèi)向總線上發(fā)送一個顯性位來對發(fā)送節(jié)點的報文進(jìn)行應(yīng)答，此時發(fā)送節(jié)點會在ACK段內(nèi)從總線上回讀到一個顯性位。如圖5所示，通過配置關(guān)閉接收節(jié)點的ACK應(yīng)答功能，此時發(fā)送節(jié)點在ACK位沒有收到其他節(jié)點應(yīng)答，觸發(fā)ACK錯誤。

圖5 ACK錯誤報文示例

格式錯誤

如圖6所示，分別干擾EOF的第一位和第六位都會導(dǎo)致發(fā)送和接收節(jié)點出現(xiàn)格式錯誤，是由于發(fā)送節(jié)點發(fā)送隱性位EOF，回讀到總線為顯性位，在該位后發(fā)送格式錯誤幀。

圖6 EOF格式錯誤報文示例

2. 接收錯誤

填充錯誤

如圖7所示，干擾報文0x210，使Bit7隱性變?yōu)轱@性，總線出現(xiàn)6個連續(xù)顯性位，使得發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點都檢測到填充錯誤，發(fā)送錯誤幀。

圖7 報文填充錯誤

CRC錯誤

如圖8所示，通過VH6501直接發(fā)送報文序列，并篡改數(shù)據(jù)場使其與CRC序列不匹配，觸發(fā)接收節(jié)點檢測到CRC錯誤，錯誤位置是100（ACK DEL），ISO 11898-1中規(guī)定檢測到CRC錯誤后，應(yīng)該在ACK界定符之后發(fā)送錯誤標(biāo)志。

圖8 CRC錯誤報文示例

格式錯誤

如圖9所示，Position 98和Position 100分別為CRC界定符和ACK界定符，干擾發(fā)送報文固定格式位后，接收節(jié)點檢測到格式錯誤幀。

圖9 界定符格式錯誤報文示例

錯誤標(biāo)志重疊由于錯誤標(biāo)志為6個極性相同的位，因此錯誤標(biāo)志會導(dǎo)致填充錯誤，引起其他節(jié)點發(fā)送錯誤標(biāo)志，或在發(fā)送錯誤標(biāo)志時將原本個，從而使其他節(jié)點緊跟著發(fā)送錯誤標(biāo)志，當(dāng)引起全局錯誤時，所有節(jié)點都會同時發(fā)送錯誤標(biāo)志，使得錯誤標(biāo)志為6個位。以下為三種典型錯誤標(biāo)志重疊范例。

重疊部分為6個位時

如圖10所示，在固定格式ACK界定符發(fā)送后，總線獲取到的信號為顯性位，由此發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點同時檢測到格式錯誤，都在ACK界定符后發(fā)送6個連續(xù)顯性位。

圖10 錯誤標(biāo)志完全重疊

重疊部分為5個位時

用定位可以如圖11所示，當(dāng)接收節(jié)點B出現(xiàn)CRC錯誤時，在ACK DEL后發(fā)送主動錯誤標(biāo)志，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點A監(jiān)測到EOF的第一位被顯性位覆蓋，發(fā)送格式錯誤幀，總線上表現(xiàn)為7位長度的錯誤標(biāo)志。

圖11 錯誤標(biāo)志部分重疊

重疊部分為0時

如圖12所示，發(fā)送節(jié)點回讀總線監(jiān)測到位錯誤，發(fā)送錯誤標(biāo)志，當(dāng)錯誤標(biāo)志的6個連續(xù)顯性位發(fā)送完畢之后，總線上出現(xiàn)填充錯誤，引起其他節(jié)點發(fā)送錯誤標(biāo)志，從而使錯誤標(biāo)志達(dá)到12個位。

圖12 錯誤標(biāo)志不重疊

總結(jié)

CAN總線在幾十年的使用和發(fā)展下，被使用在幾乎每一臺車輛上，可以說是車輛行業(yè)不可或缺的存在，是現(xiàn)如今國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。而錯誤幀是CAN總線用于錯誤報告的報文，豐富的錯誤幀類型有助于迅速排查定位總線故障，因此錯誤幀的理解和使用也是作為總線測試工程師的必修課，希望這篇簡介能夠幫助了解錯誤幀的相關(guān)內(nèi)容。北匯信息是一家專注于汽車電子測試領(lǐng)域的企業(yè)，對網(wǎng)絡(luò)測試有著豐富經(jīng)驗，并可提供相關(guān)培訓(xùn)、咨詢服務(wù)以及測試解決方案，幫助汽車制造商和零部件供應(yīng)商確保其車載網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。如果需要具體的測試服務(wù)或了解更多信息，歡迎大家來聯(lián)系我們。

參考文獻(xiàn)：【1】《ISO11898-1 - 2015》，Road vehicles - Controller area network (CAN) - Part 1:Data link layer and physical signalling【2】《CAN入門書》瑞薩科技RCJ05B0027-0100【3】文中部分圖片來源于Vector