CAN優先級倒置原因與對策分析

CAN總線起始于1986年左右，至今仍廣泛應用。現在人們對安全的要求已大為提高，所以要不斷仔細審視CAN的安全性能。現在已經發現的重要的CAN問題有：在消極報錯狀態下可能出現等效離線，使節點不能收發的時間相當長[1]；錯幀漏檢率的估計不準，特別在誤碼率高時比Bosch CAN2.0數據高多個數量級[2]，在單目的地址時影響數據正確性，在多個目的地址時會影響數據一致性；標準的振蕩源精度要求偏低[3]，使誤用廉價器件成為可能，影響系統的穩定性；本文發現的優先級倒置的可能性，使調度分析結果的可信度下降；在數據幀倒數第二位的局部錯可能引起不一致的接收重復或丟失[4]。所以在FlexRay尚未達到預定目標、無論在可靠性還是價格上能取代CAN以前，對CAN作進一步的改進仍然是非常有意義的。

CAN是一種代表性的事件觸發通信協議，同時發生的多個通信請求將按照消息的優先級進行無損仲裁，高優先級的勝出。按照消息的優先級進行無損仲裁是CAN原始專利的唯一權利要求[5]。對于低優先級的消息而言，送達時間將受到高優先級消息的阻擾，在高優先級消息為周期性時，最壞送達時間是可以預先計算出的[6]。如果能安排好發送消息的初始相位并作寬松的時鐘同步，這個最壞送達時間可以大為減少。事件觸發協議的優點是總線帶寬可以得到充分利用。另一個優點是高優先級消息可得到迅速發送。但是由于工業環境中普遍存在的電磁干擾，總線上會有毛刺，CAN總線的標準中已考慮到應對方法。現在發現毛刺應對方法可能使節點的同步受到影響，從而損及高優先級消息的發送機會，出現優先級的倒置，動搖了CAN總線的基本性能。

1　毛刺的存在

車內電磁環境惡劣， ISO 76372/3總結出代表性的傳導和輻射干擾。有人專門作了輻射干擾的實驗，參考文獻[7]的實驗中用24 V蓄電池給車內常用的繼電器供電（CAN系統供電是獨立的），電源線與CAN電纜靠得很近，在電纜線有屏蔽、線長為2 m時，手動開關繼電器時可以看到CAN波形上疊加的毛刺，輻射干擾實驗結果如圖1所示。

圖1 輻射干擾實驗結果

實際汽車上也見到CAN總線失效的報告[8]：豐田汽車在經銷商產品報告中確認，由任何原因召回的車中發現丟失CAN數據的記錄有292宗。毛刺是引起CAN總線出錯的可能原因，其具體誘發過程需要仔細分析，不能掉以輕心。

2　CAN位時間與消息仲裁原理

CAN總線把位時間劃分為NBT等分的時間片，稱為Tq。CAN總線控制器按Tq對總線上的差分電平進行采樣，以決定內部狀態。當總線上沒有通信時，稱為總線空閑，電平差在0~0.5 V，邏輯值為“1”。電平差為0.9 V以上時邏輯值為“0”。 由圖1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN總線驅動器的特性是線與，當“1”和“0”同時發生時，總線的電平為“0”，這便是仲裁功能。一幀開始發送的第一位是“0“，稱為SOF，然后是消息的標識符ID。ID代表了消息的優先級，每個節點通過位采樣知道總線上仲裁的結果，正常工作時如果發送“1”而讀回“0”，表示本發送節點本次ID發送失敗，需等下一次幀發送機會。

總線空閑時，一個有發送要求的節點須先觀察是否有別的節點已經開始發送，如已開始就不能發送。正是這里，由一個“0”毛刺開始的時段可以誤解為別的節點已開始傳送SOF，毛刺阻斷了該節點的發送（不管該節點要傳送的消息優先級有多高）。

由于傳送電纜延遲以及中間器件（如光隔離）的延遲τ，節點將見不到提前量τ以內發送的別的節點的SOF。同理，別的節點要經過τ以后才見到該節點發送的SOF，τ以后別的節點就因總線上已有發送而不允許發送了。這樣，在本節點請求時刻±τ內的發送被認為是“同時”請求發送，它們將按ID仲裁。對遲于其τ的其他低優先級幀的發送，它也是必然勝出的。

3　CAN位時間同步的有關規定

CAN的位時間分為同步段（Sync）、傳輸段（Tprop）、緩沖1段（Ph1）與緩沖2段（Ph2），位值采樣在Ph1 與Ph2之間。位值變化時將有跳變沿，只有1/0為同步用的跳變沿。跳變沿決定了相位差e，跳變沿在Ph2內e為負，在Sync內為0，在Tprop和Ph1內為正。每個節點根據e實行同步，同步的修正量受同步的種類限制。同步分兩種：硬同步與重同步。硬同步對應幀開始時的情況，重同步對應幀內有同步沿時的情況。對重同步而言，每次的修正量不能大于稱為重同步寬度的可預先設定的量SJW，SJW=min(Ph1,Ph2)。

有關本文討論內容的CAN總線標準為ISO 118981(2003)[9]及ISO 16845(2004)[10]，正是這些條款的規定保證了CAN總線協議在高度干擾的環境下能可靠工作。

ISO 118981第10.4.2.2款規定，節點只有在總線空閑時可以發SOF，在服務間隔第3位（I.M.3）的“0”視為SOF。

ISO 118981第12.4.2.1款規定硬同步在幀間的間隔中實行。而幀間間隔包括服務間隔和總線空閑，對上次發送的消極報錯節點還包括禁發時間。因此，在I.M.3的跳變沿也是作硬同步用的。

ISO 118981第12.4.2.4款規定，重同步的目的是校正采樣點的位置，e為“+”時延長Ph1，e為“-”時縮短Ph2。校正量在e小于或等于SJW時為e，反之為SJW。

ISO 16845第7.7.2款規定了接收節點對SOF的硬同步驗證方法意味著同步段SYNC直接同步于1/0跳變沿。

ISO 16845第8.7.2.1款規定了發送節點在I.M.3位值采樣點前有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點前Tq加被測單元內部處理時間前發0，要求被測單元在跳變沿1位后發ID最高位。這意味著發送節點要與I.M.3內1/0跳變沿硬同步，0值被采樣，下一位不再發SOF而是發ID最高位。

ISO 16845第8.7.3.1款規定了發送節點在I.M.3位值采樣點后有1/0沿時的硬同步驗證方法：測試設備在被測單元I.M.3采樣點后1個被測單元內部處理時間后發0，要求被測單元在跳變沿后1 Tq立即發SOF。這意味著發送節點是硬同步，但開始發SOF。

ISO 118981第4.18和4.16款規定了發送節點和接收節點的定義。發送節點指的是發數據幀或遠程幀的節點，其狀態維持到仲裁失敗退出或總線再度空閑，否則就是接收節點。因此總線空閑時遇到毛刺，則大家都是接收節點。

ISO 16845第7.7.9款規定了接收節點在總線空閑時對毛刺濾除的驗證方法：要確定對總線空閑時短于Tprop+Ph1-1的0不作SOF處理。也就是說硬同步后未被采樣到就不算作SOF。