節(jié)點(diǎn)BusOff恢復(fù)過程分析與測試

總線關(guān)閉（bus off）是CAN節(jié)點(diǎn)比較重要的錯誤處理機(jī)制。那么，在總線關(guān)閉狀態(tài)下，CAN節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)流程是怎樣的？又該如何理解節(jié)點(diǎn)恢復(fù)流程的“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”機(jī)制？本文將為大家詳細(xì)分析總線關(guān)閉及恢復(fù)的機(jī)制和原理。

圖1節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖情形1

一、 故障界定與總線關(guān)閉狀態(tài)

為了避免某個設(shè)備因?yàn)樽陨碓颍ɡ缬布p壞）導(dǎo)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(diǎn)通信，CAN網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)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(jì)數(shù)器和一個接收錯誤計(jì)數(shù)器。根據(jù)計(jì)數(shù)值不同，節(jié)點(diǎn)會處于不同的錯誤狀態(tài)，并根據(jù)計(jì)數(shù)值的變化進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下圖所示。

以上三種錯誤狀態(tài)表示發(fā)生故障的嚴(yán)重程度，總線關(guān)閉是節(jié)點(diǎn)最嚴(yán)重的錯誤狀態(tài)。并且，節(jié)點(diǎn)在不同的狀態(tài)下具有不同的特性，在總線關(guān)閉狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送報文或應(yīng)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(zhuǎn)和錯誤計(jì)數(shù)的規(guī)則使得節(jié)點(diǎn)在發(fā)生通信故障時有了較好的自我錯誤處理和恢復(fù)機(jī)制，從一種較嚴(yán)重的錯誤狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一種嚴(yán)重性相對較低的狀態(tài)，本質(zhì)上就是一種恢復(fù)過程。圖1所呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過程是CAN通用規(guī)范所要求的，我們從設(shè)備供應(yīng)商買回來的CAN控制器已經(jīng)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(diǎn)的恢復(fù)過程一般不需要MCU進(jìn)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(guān)閉狀態(tài)，往往不直接使用CAN控制器固有的恢復(fù)過程，而是對其進(jìn)行編程控制，以實(shí)現(xiàn)“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”機(jī)制。

圖2 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖情形2

注：

1、由于篇幅有限，關(guān)于錯誤計(jì)數(shù)的詳細(xì)規(guī)則以及各狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的具體特性不在本文進(jìn)行討論，讀者可以查閱CAN的相關(guān)協(xié)議規(guī)范。

2、本文的“CAN控制器”是指已經(jīng)實(shí)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(diǎn)”是指把CAN控制器與MCU、收發(fā)器等相關(guān)器件進(jìn)行整合開發(fā)出來的具有一定功能的CAN節(jié)點(diǎn)。

圖3 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖情形3

二、 為什么需要對總線關(guān)閉狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”策略？

當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)后，如果MCU僅是開啟自動恢復(fù)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(fù)通信，在實(shí)際的CAN通信總線中，這一條件是很容易達(dá)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(diǎn)所在的CAN總線的幀間隔時間大于0.011264s，節(jié)點(diǎn)在總線空閑時間內(nèi)便可輕易恢復(fù)通信。我們已經(jīng)知道，當(dāng)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時，節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的錯誤，處于不可信狀態(tài)，如果迅速恢復(fù)參與總線通信，具有較高的風(fēng)險，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，往往會通過MCU對CAN控制器總線關(guān)閉狀態(tài)的恢復(fù)過程進(jìn)行編程處理，以控制節(jié)點(diǎn)從總線關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)到錯誤主動狀態(tài)的等待時間，達(dá)到既提高靈活性又保證節(jié)點(diǎn)在功能上的快速響應(yīng)性的目的。具體包括“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”策略，兩種策略一般同時應(yīng)用。

通過以上的討論，我們可以知道，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)后，存在以下幾種恢復(fù)情況：

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

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

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

圖4  MCU實(shí)現(xiàn)總線關(guān)閉恢復(fù)流程

三、MCU如何實(shí)現(xiàn)“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”？

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

節(jié)點(diǎn)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(jì)數(shù)會增加，只要發(fā)送錯誤計(jì)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(jì)數(shù)累加超過255，則節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)為總線關(guān)閉狀態(tài)。MCU能夠第一時間知道節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了總線關(guān)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(yīng)位），這時MCU控制CAN控制器進(jìn)入“快恢復(fù)”過程，即控制CAN控制器停止報文收發(fā)，并進(jìn)行等待，計(jì)時達(dá)到需要的時間T1（如100ms）后，MCU重新啟動恢復(fù)CAN控制器參與總線通信，這樣便完成了一次“快恢復(fù)”過程。

節(jié)點(diǎn)每進(jìn)入一次“快恢復(fù)”過程時，MCU會對此進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)“快恢復(fù)”計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定的值N（如5次），則后續(xù)再次進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時MCU把恢復(fù)總線通信的等待時間T2進(jìn)行延長（如1000ms），這樣便實(shí)現(xiàn)了“慢恢復(fù)”過程。“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”過程的主要區(qū)別就在于恢復(fù)節(jié)點(diǎn)參與總線通信的等待時間的不同。

 通過MCU對于總線關(guān)閉后的恢復(fù)行為進(jìn)行編程控制，實(shí)際上是對CAN控制器的錯誤管理和恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行了補(bǔ)充，使得總線關(guān)閉狀態(tài)后的恢復(fù)過程更加靈活，更能適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要。對于 “快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”的等待時間，以及“快恢復(fù)”計(jì)數(shù)多少次后進(jìn)入“慢恢復(fù)”過程，不同廠家可根據(jù)具體的需求進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

圖5 功能設(shè)置

四、 實(shí)測總線關(guān)閉恢復(fù)過程

通過廣州致遠(yuǎn)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(guān)閉后節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)過程及測試“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”的恢復(fù)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。

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(jìn)行分析。

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

圖6 采集報文并進(jìn)行流量分析

至此，我們便可以得出結(jié)論：該DUT對總線關(guān)閉的恢復(fù)過程進(jìn)行了編程控制，采用了先“快恢復(fù)”后“慢恢復(fù)”的恢復(fù)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)后，進(jìn)行一次“快恢復(fù)”過程，后續(xù)進(jìn)行“慢恢復(fù)”過程，兩個恢復(fù)過程的恢復(fù)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(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)及恢復(fù)通信的整個過程呢？

把第一個波形“團(tuán)”放大得到下圖：（圖8）

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

DUT上電后，初始發(fā)送和接收錯誤計(jì)數(shù)都為0。由于在測試時配置了接收干擾功能，當(dāng)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(jì)數(shù)加8，并自動重發(fā)，第二次發(fā)送時錯誤計(jì)數(shù)再加8，直到發(fā)送了32次后，發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)大于255，根據(jù)圖3的錯誤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，這時DUT跳轉(zhuǎn)為總線關(guān)閉狀態(tài)，MCU控制進(jìn)入“快恢復(fù)”過程同時對“快恢復(fù)”次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并等待約27ms后，MCU控制DUT從總線關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)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(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，再次執(zhí)行“快恢復(fù)”或“慢恢復(fù)”過程，以此類推。

根據(jù)流量分析的結(jié)果可知，該DUT進(jìn)入“快恢復(fù)”的計(jì)數(shù)達(dá)到1次后便執(zhí)行“慢恢復(fù)”過程，“慢恢復(fù)”等待時間約為209ms。

圖7 讀取恢復(fù)時間

注：

1、干擾的設(shè)置可以根據(jù)需要設(shè)置其他的參數(shù)，只要保證能對DUT發(fā)送的幀進(jìn)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(guān)閉恢復(fù)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?yàn)檫@樣能確保DUT的接收錯誤計(jì)數(shù)和發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)的初始計(jì)數(shù)都為0。

3、需要對DUT進(jìn)行連續(xù)的干擾，否則DUT恢復(fù)后成功發(fā)送了報文，“快恢復(fù)”次數(shù)的計(jì)數(shù)會遞減，這不利于分析DUT總線關(guān)閉后的整個恢復(fù)行為。 

4、總線關(guān)閉后節(jié)點(diǎn)的“恢復(fù)”是指恢復(fù)參與總線的通信，但并不意味著恢復(fù)后一定能成功發(fā)送或接收報文。如上述案例，DUT恢復(fù)通信后由于仍然受CAN總線分析儀的干擾，導(dǎo)致報文發(fā)送再次失敗。

圖8 放大波形“團(tuán)”觀察

總結(jié)：

在總線關(guān)閉狀態(tài)下，“快恢復(fù)”和“慢恢復(fù)”不是CAN控制器固有的功能，而是通過MCU的編程邏輯實(shí)現(xiàn)的恢復(fù)機(jī)制，是總線關(guān)閉狀態(tài)下恢復(fù)過程的補(bǔ)充，使恢復(fù)過程更具有靈活性。