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在本文檔中，我們將為您詳細介紹CAN總線錯誤的相關知識，包括CAN總線錯誤的基礎概念、CAN總線錯誤的類型、CAN錯誤幀和CAN節(jié)點錯誤狀態(tài)，并通過實際的應用測試生成并記錄CAN錯誤。
1.什么是CAN總線錯誤？
控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)是當今汽車和工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要標準。可靠性是CAN總線協(xié)議的核心優(yōu)勢之一，這使其成為安全關鍵應用的理想選擇。但十分值得注意的是，錯誤處理對CAN的穩(wěn)健性來說至關重要。
CAN總線錯誤的發(fā)生可能有多種原因，比如電纜故障、噪聲、不匹配的終端電阻、CAN節(jié)點故障等。識別、分類和解決此類CAN錯誤是確保整個CAN系統(tǒng)持久性能的關鍵。錯誤處理可以識別和拒絕錯誤的信息，使發(fā)送者能夠重新傳輸信息。此外，該過程有助于識別和斷開持續(xù)傳輸錯誤信息的CAN節(jié)點。
錯誤處理是CAN標準和每個CAN控制器的內置部分。換句話說，每個CAN節(jié)點都以相同的方式處理故障識別和限制。下面我們做了一個簡單的說明性示例：
具體步驟示例：
- CAN節(jié)點1將消息傳輸?shù)紺AN總線，并讀取它發(fā)送的每一位
- 在這樣做的過程中，它發(fā)現(xiàn)發(fā)送顯性的一位被讀取為隱性
- 這是一個“位錯誤”，節(jié)點1會引發(fā)一個活動錯誤標志以通知其他節(jié)點
- 實際上，這意味著節(jié)點1將6個顯性位序列發(fā)送到總線上
- 反過來，6個顯性位被其他節(jié)點視為“位填充錯誤”
- 作為響應，節(jié)點2和3同時引發(fā)活動錯誤標志
- 此引發(fā)的錯誤標志序列構成“CAN錯誤幀”的一部分
- CAN節(jié)點1，發(fā)送器，將其“發(fā)送錯誤計數(shù)器”(TEC)增加8
- CAN節(jié)點2和3將其“接收錯誤計數(shù)器”(REC)增加1
- CAN節(jié)點1自動重新傳輸消息
- 結果，節(jié)點1將其TEC減少1，節(jié)點2和3將其REC減少1
2.CAN錯誤幀
在上述示例中，CAN節(jié)點“引發(fā)活動錯誤標志”，從而創(chuàng)建“錯誤幀”以響應檢測到的CAN錯誤。
為了理解它是如何工作的，讓我們首先看一個“正常”的CAN幀（沒有錯誤）：
圖中，我們突出顯示了CAN幀中的“位填充”。位填充是CAN標準的一個微妙但重要的部分?；旧纤?guī)定，每當CAN節(jié)點發(fā)送相同邏輯電平（顯性或隱性）的五個位時，它必須發(fā)送相反電平的一個位。接收CAN節(jié)點會自動刪除這個額外的位。此過程有助于確保網(wǎng)絡的持續(xù)同步。
根據(jù)前面的示例，當CAN節(jié)點1在CAN消息傳輸期間檢測到錯誤時，它會立即傳輸相同邏輯電平的6位序列-也稱為引發(fā)活動錯誤標志。
正如前文所述，這樣的序列違反了位填充規(guī)則——也稱為“位填充錯誤”。此外，此錯誤對網(wǎng)絡上的所有CAN節(jié)點都是可見的（與導致此錯誤標志出現(xiàn)的“位錯誤”相反）。因此，錯誤標志的增加可以被視為一種“全局性”錯誤發(fā)現(xiàn)的方式，確保通知每個CAN節(jié)點。
請注意，其他CAN節(jié)點會將活動錯誤標志視為位填充錯誤。作為響應，它們還會引發(fā)一個活動錯誤標志。
正如我們后面將解釋的，區(qū)分錯誤標志很重要。特別是，第一個錯誤標志（來自“發(fā)現(xiàn)”節(jié)點）通常被稱為“主要”活動錯誤標志，而后續(xù)“反應”節(jié)點的錯誤標志被稱為“次要”活動錯誤標志（s)。
2.1 CAN錯誤幀示例
示例1：6位錯誤標志
在本示例中，所有CAN節(jié)點同時發(fā)現(xiàn)CAN報文中存在錯誤并同時發(fā)出錯誤標志。結果是錯誤標志全部重疊并且顯性位的總序列總共持續(xù)6位。在這種情況下，所有CAN節(jié)點都將自己視為“發(fā)現(xiàn)”CAN節(jié)點。
同時發(fā)現(xiàn)這種類型的錯誤幀在實踐中不太常見。但是，它可能是由于格式錯誤（例如CRC定界符是顯性而不是隱性）或CAN發(fā)送器在寫入CRC字段期間遇到位錯誤而發(fā)生的。
示例2：12位錯誤標志
在本示例中，CAN節(jié)點1傳輸顯性位，但將其讀取為隱性-這意味著它發(fā)現(xiàn)了位錯誤。它立即發(fā)送6個顯性位的序列。其他節(jié)點僅在讀取完整的6位后才發(fā)現(xiàn)位填充錯誤，之后它們同時提高錯誤標志，從而產(chǎn)生隨后的6個顯性位序列-即總共12個。
示例3：9位錯誤標志
在本示例中，當CAN節(jié)點1發(fā)現(xiàn)位錯誤并開始發(fā)送6個顯性位時，它已經(jīng)發(fā)送了3個顯性位序列。一旦通過主要活動錯誤標志的一半，節(jié)點2和3識別位填充錯誤（由于3個初始顯性位后面跟著另外3個顯性位）并開始提高它們的錯誤標志。結果是來自錯誤標志的顯性位序列變?yōu)?位長。
上述引發(fā)錯誤標志的邏輯反映在我們所謂的“活動”CAN錯誤幀中。請?zhí)貏e注意各個節(jié)點引發(fā)的次要錯誤標志如何相互重疊——以及主要和次要標志也可能如何重疊。結果是來自引發(fā)錯誤標志的主要位序列可能是6到12位長。
該序列始終以8個隱性位序列終止，標志著錯誤幀的結束。實際上，活動錯誤幀可能在錯誤CAN幀中的不同位置“開始”，這取決于何時發(fā)現(xiàn)錯誤。然而，結果將是相同的：所有節(jié)點都丟棄錯誤的CAN幀，發(fā)送節(jié)點可以嘗試重新發(fā)送失敗的消息。
如果CAN節(jié)點已從其默認的“活動”狀態(tài)轉變?yōu)椤氨粍印睜顟B(tài)，那么它將只能引發(fā)所謂的“被動錯誤標志”。被動錯誤標志是6個隱性位的序列。在這種情況下，區(qū)分由發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點引發(fā)的被動錯誤標志是相關的。
示例4：發(fā)送器是被動錯誤
如圖所示，如果發(fā)送器（例如我們示例中的CAN節(jié)點1）引發(fā)被動錯誤標志（例如響應位錯誤），這將對應于6個隱性位的連續(xù)序列。這又被所有CAN節(jié)點檢測為位填充錯誤。假設其他CAN節(jié)點仍處于其錯誤活動狀態(tài)，它們將引發(fā)6個顯性位的活動錯誤標志。換言之，無源發(fā)送器仍然可以“傳達”CAN幀是錯誤的。
示例5：接收器是被動錯誤
相反，如果接收器產(chǎn)生被動錯誤標志，這實際上對總線上的所有其他CAN節(jié)點“不可見”（因為任何顯性位都勝過隱性位序列）。實際上，這意味著錯誤被動接收器不再具有破壞其他CAN節(jié)點傳輸?shù)膸哪芰Α?/p>
3.CAN總線錯誤類型
CAN總線協(xié)議規(guī)定了5種CAN錯誤類型：
- 位錯誤[發(fā)送器]
- 位填充錯誤[接收器]
- 格式錯誤[接收者]
- ACK應答錯誤（應答）[發(fā)送器]
- CRC校驗錯誤（循環(huán)冗余校驗）[接收器]
在前文中，我們已經(jīng)對位錯誤和位填充錯誤有所了解，這兩者都是在位級別進行評估的。其余三種CAN錯誤類型在消息級別進行評估。下面我們詳細介紹每種錯誤類型。
1）位錯誤
CAN總線上的每個CAN節(jié)點都會在任何給定時間監(jiān)控信號電平——這意味著發(fā)送CAN節(jié)點也會“讀回”它發(fā)送的每一位。如果發(fā)送器讀取的數(shù)據(jù)位級別與其發(fā)送的內容不同，則發(fā)送器會將其檢測為位錯誤。但是，如果在仲裁過程中（即發(fā)送CAN ID時）發(fā)生位不匹配，則不會將其解釋為位錯誤。類似地，應答時隙（ACK字段）中的不匹配不會導致位錯誤，因為ACK字段特別要求來自發(fā)送器的隱性位被來自接收器的顯性位覆蓋。
2）位填充錯誤
如前文所述，位填充是CAN標準的一部分。它規(guī)定在同一邏輯級別的每5個連續(xù)位之后，第6位必須是補碼。這是通過提供上升沿來確保網(wǎng)絡的持續(xù)同步所必需的。此外，它確保位流不會被誤解為錯誤幀或標記消息結束的幀間空間（7位隱性序列）。所有CAN節(jié)點都會自動刪除多余的位。
如果在CAN消息內（在SOF和CRC字段之間）的總線上觀察到具有相同邏輯電平的6位序列，則接收器將其檢測為位填充錯誤，即填充錯誤。
3）格式錯誤
此消息級別檢查利用CAN消息中的某些字段/位必須始終處于某個邏輯級別的事實。具體來說，1位SOF必須是顯性的，而整個8位EOF字段必須是隱性的。此外，ACK和CRC界定符必須是隱性的。如果接收器發(fā)現(xiàn)這些位中的任何一個具有無效的邏輯電平，則接收器將其檢測為格式錯誤。
4）ACK應答錯誤（應答）
當發(fā)送器發(fā)送CAN報文時，它將包含ACK字段（應答），發(fā)送器將在其中發(fā)送一個隱性位。所有偵聽CAN節(jié)點都應在該字段中發(fā)送顯性位以驗證消息的接收（無論節(jié)點是否對消息感興趣）。如果發(fā)送器未讀取ACK時隙中的顯性位，則發(fā)送器將其檢測為ACK錯誤。
5）CRC校驗錯誤（循環(huán)冗余校驗）
每個CAN報文都包含一個15位的循環(huán)冗余校驗和字段。在這里，發(fā)送器已經(jīng)計算了CRC值并將其添加到消息中。每個接收節(jié)點也會自己計算CRC。如果接收器的CRC計算與發(fā)送器的CRC不匹配，接收器會將其檢測為CRC錯誤。
4．CAN節(jié)點狀態(tài)和錯誤計數(shù)器
顯然，CAN錯誤處理有助于去除錯誤消息，并使CAN節(jié)點能夠重新進行錯誤消息的傳輸。這確保了短暫的局部干擾（例如來自噪聲）不會導致無效/丟失數(shù)據(jù)。相反，發(fā)送器將會嘗試重新發(fā)送消息。如果它贏得仲裁（并且沒有錯誤），則消息發(fā)送成功。
但是，如果錯誤是由于傳輸節(jié)點中的系統(tǒng)故障引起的怎么辦？這可能會觸發(fā)發(fā)送/去除相同消息的無限循環(huán)——干擾CAN總線。這就是CAN節(jié)點狀態(tài)和錯誤計數(shù)器發(fā)揮作用的地方。
CAN錯誤跟蹤的目的是通過降低有問題的CAN節(jié)點的權限來限制錯誤。
具體來說，讓我們看看三種可能的狀態(tài)：
- 活動錯誤：這是每個CAN節(jié)點的默認狀態(tài)，在該狀態(tài)下它能夠傳輸數(shù)據(jù)并在檢測到錯誤時引發(fā)“活動錯誤標志”
- 被動錯誤：在這種狀態(tài)下，CAN節(jié)點仍然能夠傳輸數(shù)據(jù)，但現(xiàn)在在檢測到錯誤時會引發(fā)“被動錯誤標志”。此外，CAN節(jié)點現(xiàn)在除了等待3位中斷時間外，還必須等待額外的8位（也稱為暫停傳輸時間）才能恢復數(shù)據(jù)傳輸（以允許其他CAN節(jié)點控制總線）
- 總線關閉：在此狀態(tài)下，CAN節(jié)點將自身與CAN總線斷開連接，無法再傳輸數(shù)據(jù)或引發(fā)錯誤標志
每個CAN控制器都會跟蹤自己的狀態(tài)并采取相應的行動。CAN節(jié)點根據(jù)其錯誤計數(shù)器的值轉換狀態(tài)。具體來說，每個CAN節(jié)點都會跟蹤發(fā)送錯誤計數(shù)器(TEC)和接收錯誤計數(shù)器(REC)：
- 如果REC或TEC超過127，則CAN節(jié)點進入被動錯誤狀態(tài)
- 如果TEC超過255，則CAN節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)
那么，錯誤計數(shù)器如何變化呢？在我們了解如何增加/減少錯誤計數(shù)器的邏輯之前，讓我們重新審視CAN錯誤幀以及主要/次要錯誤標志。從CAN錯誤幀圖示中可以明顯看出，在其自己的6個顯性位序列之后觀察到顯性位的CAN節(jié)點將知道它引發(fā)了主要錯誤標志。在這種情況下，我們可以將此CAN節(jié)點稱為錯誤的“發(fā)現(xiàn)者”。
起初，讓一個CAN節(jié)點反復發(fā)現(xiàn)錯誤并通過在其他節(jié)點之前發(fā)出錯誤標志來迅速做出反應，這聽起來可能是積極的。然而，在實踐中，發(fā)現(xiàn)者通常也是導致錯誤的罪魁禍首。
5.在實踐中生成和記錄CAN錯誤
測試1：沒有CAN總線錯誤
為了便于對照，我們設置了沒有CAN總線錯誤的測試：一個 CANedge2 的“發(fā)送器”將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個 CANedge2 的“接收器”，并且兩者都能夠記錄CAN總線錯誤。
測試2：移除CAN總線終端電阻
在這個測試中，我們在日志會話過程中移除了 CAN 終端電阻。這可以有效地將位電平設置為顯性。同時，CANedge2發(fā)送器立即開始記錄位錯誤（當它嘗試發(fā)送隱性位但讀取顯性位時會發(fā)生這種情況）。CANedge2 接收器在檢測到 6 個連續(xù)顯性位時記錄位填充錯誤。記錄這些錯誤，直到再次添加終止。
在記錄來自車輛、機器等的數(shù)據(jù)時，缺少終端電阻似乎并沒有影響，但是，在使用“測試臺”設置時，這個問題非常常見，并可能導致混淆，因為它難以與非活動CAN總線區(qū)分開來。因此，在CANedge數(shù)據(jù)記錄儀上啟用錯誤幀記錄幀對于故障排除而言是十分有效的。
發(fā)送器位錯誤
接收器位填充錯誤
測試3：設置錯誤的波特率
在這個測試中，我們將CANedge接收器節(jié)點配置為具有492.872K波特率，而發(fā)送器的波特率為500K，這是一個相當大的差異，并導致發(fā)送器的ACK錯誤和接收器的位填充錯誤。在更現(xiàn)實的場景中，各個節(jié)點的波特率配置的較小差異可能會導致間歇性錯誤幀，從而導致消息丟失。
這個例子比較極端，然而，在實踐中，我們有時會看到使用標準比特率（250K、500K、……）的CAN總線，但其特定的位時序設置與通常推薦的設置不同。這不會導致通信完全關閉，但會導致幾個百分比的周期性幀丟失。為了解決這個問題，可以在CANedge配置中構建一個“預定義比特率”，本質上是設置位時序以更好地匹配正在記錄的CAN總線。
發(fā)送器ACK錯誤
接收器位填充錯誤
測試4：移除應答CAN節(jié)點
在本次測試中，我們使用了三個配置如下的 CANedge 單元：
- CANedge1：配置為應答數(shù)據(jù)
- CANedge2 A：配置為“靜默模式”（無確認）
- CANedge2 B：配置為每 500 ms 傳輸一個 CAN 幀
在默認設置中，數(shù)據(jù)由 CANedge2 B 傳輸?shù)?CAN 總線上并無錯誤記錄。但是，如果我們從總線上移除 CANedge1，則不再有任何 CAN 節(jié)點來確認發(fā)送器發(fā)送的幀。結果，發(fā)送器檢測到ACK 錯誤。作為響應，它增加其發(fā)送錯誤計數(shù)器并在 CAN 總線上產(chǎn)生活動錯誤標志。這些又由 CANedge2 A（它靜默監(jiān)控總線）記錄為格式錯誤。
CANedge之所以會記錄格式錯誤，是因為發(fā)送器在識別出ACK時隙中缺少顯性位時將其提高，一旦接收器在隨后的EOF字段中觀察到顯性位（本該是隱性的），就會檢測到格式錯誤。
很明顯，當TEC從0增加到16x8=128時，發(fā)送器會廣播16個主動錯誤標志。發(fā)送器現(xiàn)在已超過TEC的閾值127并進入被動錯誤模式。因此，發(fā)送器仍然會遇到ACK錯誤，但現(xiàn)在只會引發(fā)被動錯誤標志（接收器不可見）。在這一點上，發(fā)送器不斷嘗試發(fā)送相同的幀，并且接收器不斷記錄這個重傳序列。
這種類型的錯誤是我們在技術支持中經(jīng)常遇到的錯誤。具體來說，用戶會嘗試使用我們的CAN記錄器來記錄來自單個CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)（例如從CANmod傳感器到CAN模塊），如果他們決定在這樣的安裝中啟用CANedge上的“靜默模式”，則沒有CAN節(jié)點將確認單個CAN節(jié)點廣播數(shù)據(jù)，這樣得到的結果大概率將是空日志文件，或充滿相同CAN幀重傳的日志文件。
發(fā)送器ACK錯誤
接收器格式錯誤
測試5：CAN幀沖突（無重傳）
設置CAN總線時，避免CAN ID重復是關鍵，否則可能會導致幀沖突，因為兩個CAN節(jié)點可能都認為他們已經(jīng)贏得了仲裁，并同時開始傳輸它們的幀。
為了模擬這一點，我們使用與測試4相同的設置。此外，我們連接了一個PCAN-USB設備作為輔助發(fā)送器。CANedge2發(fā)送器現(xiàn)在配置為每10ms輸出一個CAN ID為1且有效負載為8個0xFF字節(jié)的CAN幀。此外，我們將CANedge2配置為禁用因錯誤中斷的幀的重新傳輸。PCAN-USB每2ms輸出一個相同的CAN幀，有效載荷的第一個字節(jié)更改為0xFE。PCAN設備已啟用重傳。
這種設置會迅速產(chǎn)生幀沖突，從而導致CANedge和PCAN發(fā)送器檢測到位錯誤。作為對此的響應，兩者都會引發(fā)一個活動錯誤標志，CANedge接收器將其檢測為位填充錯誤。PCAN設備立即嘗試重新傳輸并成功，而CANedge等待進一步傳輸，直到要發(fā)送下一個消息。
這種類型的錯誤當然不應該發(fā)生在例如汽車中，因為設計和測試過程將確保所有 CAN 節(jié)點通過全球唯一的 CAN 標識符進行通信。但是，如果您安裝第 3 方設備（例如傳感器到 CAN 模塊）以將數(shù)據(jù)注入現(xiàn)有 CAN 總線，則很容易出現(xiàn)此問題。如果您不確保外部 CAN 節(jié)點的 CAN ID 的全局唯一性，您可能會導致幀沖突，從而導致 CAN 總線上的錯誤。如果您的外部 CAN 節(jié)點廣播具有高優(yōu)先級 CAN ID 的數(shù)據(jù)，這一點尤其重要，因為您可能會影響安全關鍵 CAN 節(jié)點。
PCAN發(fā)送器位錯誤
CANedge發(fā)送器位錯誤
CANedge接收器位填充錯誤
測試6：CAN幀沖突（包括重傳）
在這個測試中，我們使用與之前相同的設置，但在CANedge2發(fā)送器上啟用重傳。在這種情況下，幀沖突會導致一系列后續(xù)幀沖突，因為CANedge2和PCAN-USB設備都試圖重新傳輸其中斷的消息。
由于產(chǎn)生的位錯誤，兩者都會引發(fā)總共16個活動錯誤標志，它們被靜默CANedge2接收器檢測為位填充錯誤。然后兩個發(fā)送器進入錯誤被動模式并停止產(chǎn)生主動錯誤標志，這意味著它們都不能破壞總線上的CAN幀。結果，其中一個發(fā)送器將成功傳輸完整的消息，從而結束重傳，并使兩個設備都能恢復傳輸。但是，這僅持續(xù)幾秒鐘，然后發(fā)生另一次碰撞。
沖突處理是一個很好的例子，說明CAN錯誤處理在“關閉”潛在有問題的序列和使CAN節(jié)點能夠恢復通信方面很有效。如果發(fā)生幀沖突，很可能兩個CAN節(jié)點都將設置為嘗試重傳，如果不是錯誤處理和限制，則將導致阻塞。
虹科CAN/LIN數(shù)據(jù)與錯誤記錄器
虹科CANedge1讓您可以輕松地將數(shù)據(jù)從2xCAN/LIN總線記錄到8-32GB的SD卡中，并支持記錄CAN/LIN錯誤。只需將其連接到汽車或卡車即可開始記錄-并通過免費軟件/API解碼數(shù)據(jù)。此外，升級版CANedge2添加了WiFi功能，讓您可以將數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)侥约旱?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8/">服務器，并通過無線方式更新設備。
6.CAN錯誤幀記錄的示例
1.OEM原型車中的CAN總線診斷
汽車OEM可能需要在后期原型測試期間在現(xiàn)場記錄CAN錯誤幀。通過部署CANedge，OEM工程團隊將能夠根據(jù)實際CAN信號（速度、RPM、溫度）以及與原型系統(tǒng)中較低層CAN通信相關的問題進行故障排除。如果感興趣的問題是間歇性的，例如每月只發(fā)生一次或兩次，這一點尤其重要。在這種情況下，CAN總線接口不太適合，因為擁有成本效益高的設備以實現(xiàn)可擴展部署以更快地進行故障排除變得越來越重要。虹科車輛網(wǎng)絡團隊在車用CAN總線方面有著十分豐富的技術積累，歡迎通過hongchesys@hkaco.com聯(lián)系虹科車輛網(wǎng)絡團隊。
2.遠程排除機器中的CAN錯誤
OEM或售后市場用戶可能需要在他們的機器中捕獲罕見的CAN錯誤事件。為此，他們部署了一個CANedge2來記錄CAN數(shù)據(jù)和相關的錯誤幀，并通過WiFi自動將數(shù)據(jù)上傳到他們自己的云服務器。在這里，錯誤會被自動識別，并向工程團隊發(fā)送警報，以便立即診斷和解決問題。虹科工業(yè)控制團隊在CAN總線等工業(yè)通訊協(xié)議方面有著十分豐富的技術積累，歡迎通過hongconsys@hkaco.com聯(lián)系虹科工業(yè)控制團隊。
聯(lián)系虹科工程師：13660244187
聯(lián)系方式鏈接：https://tl-tx.dustess.com/uXuUI7m5M0
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