探讨CAN总线的抗千扰能力

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1、探讨CAN总线的抗千扰能力时间：2009-01-15 14:06:36来源：单片机与嵌入式系统 作者：杨福宇CAN总线经近20年的发展已步入壮年期，它不仅在汽车领域的应用占据 一定优势，在其他工业应用上也生机勃勃、枝繁叶茂。究竟是什么原因使它这么 成功？当人们发现它的局限性，又面临新的总线（例如FkxRay）的挑战时，它的 地位还能维持多久?这些问题都离不开对通信技术本质和CAN总线特性的分析 与理解。通信技术的不断进步离不开应用对带宽与抗干扰的追求，又要快又要正 确，当然关键点是适合当前需求的性价比最佳的技术。没有这些追求，可能我们 会一直停留在RS232的标准上。当今CAN总线的竞争对于包

2、括以RS485为 物理层的总线和FlexRay总线，这种形势下cAN总线的生命力在于其优越的抗 干扰能力和性价比，这些都来源于它独特的物理层与数据链路层的设计。1物理层1. 1信号状态CAN总线的信号状态为2种：隐位与显位。当总线上出现隐位与显位发送的 竞争时，总线上的最终结果是显位。这种二值特性对cAN总线的可靠性与其他 特性有很大贡献。CAN总线信号的二值且单稳态的特性为它的数据链路层创 造了条件，即CAN总线上可以容许多主发送、竞争占线的方式。这极大简化了 消息的调度。为使总线上的节点均有机会发送，有些总线采用主从方式，这种 方法使总线的利用率较低，且从节点消息发送的等待时间较长。有些总

3、线采用令 牌方式，但令牌的丢失和重复需要特别的处理机制。许多总线是不容许总线上有冲突的，因为冲突发生后，不同的接收节点得到 的电平结果是不同的。这使它们对总线上发生的事件在时间上与内容上产生不同 的解释，退出冲突就会有时间的先后，从而导致节点间状态的不同步。但是由于 干扰的存在，节点可能会有误动作，发生不希望的冲突。为此，要增加需多辅助 的设备来防止冲突，例如在时间触发协议中经常采用的总线监守。在CAN总线 里，冲突的处理由于该信号的二值且单稳态的特性变得简单，报错帧可以使所 有节点（包括发生冲突的节点）容易地取得数据的一致性和节点状态的同步。FlexRay总线的状态有低功耗闲置、闲置、0、1

4、四种。在正常工作模式 时，总线接收部分只认可后3种状态。与RS485总线不同的是，FlexRay收发 器有一个判断闲置状态的机制。当总线电平差处于某范围内 uBusActiveLow（最低一 450 mV）uBusActiveHigh（最高 450mV） 一段时间（dIdleDetection，最小50 ns,最大250 ns）后，它就将RxEN引脚 置T，并将RxD置1。当总线电平超出该范围一段时间（dActivityDetection， 最小100 ns，最大300 ns）后，就退出闲置状态。因此它不会在闲置状态受十 扰而轻易地误判为新帧的开始。而总线上因干扰而引起冲突的情形可由另设的总

5、线监守加以防止。当然，这些功能的添加意味着成本的增加。1. 2信号电平与共模电压信号电平的高低有两层影响：一是闲置时有干扰被误认为是传送的启动信号； 二是传送逻辑信号时因干扰而产生误码。RS485接收器的阈值很小，总线电压差小于一 200mV时为、0，大于200 mV时为、1。因此，200 mV幅度的干扰就可能引起误启动，而造成误码的十 扰幅度为400mV。RS485总线的共模电压为7+ 12 v。CAN只有2种状态：当总线电压差小于0. 5 V时，接收为隐位（即逻辑、1）； 大于0. 9 V时，为显位（即逻辑、0）。O. 5O. 9 V为变化的过渡区。总线 隐位电压差的正常值为0 V,因此可

6、能引起误启动的最小干扰为0. 5 V；显位 电压差的正常值为2. O V，合格的网络显位电压差的最小值为1. 2 V,引起 误码的最小干扰为O. 3 V。CAN总线的共模电压为一 2+ 7V。前面已介绍了 FlexRay总线在总线闲置与正常通信的过渡情况，不再重复。 它的接收器逻辑1电平为uData1(最低150 mV,最高300 mV),逻辑0 电平为uData 一 0(最低一 300 mV,最高一 150 mV)。因此引起误码的最小 干扰为0. 3 V。FlexRay总线的共模电压为一 10+ 15 V。1. 3采样采用RS485收发器的总线往往与UART相连，它们一般在启动电平负跳变 后

7、的1/2位处对总线的逻辑值作采样判断。因此，当总线闲置时，若干扰的幅 度足够大，且持续时间大于1/2位，就可能产生误启动。CAN总线的位值一般在80%90%位处采样，因此它能容忍的误启动干扰 不但幅度大，而且时间长。正常传送时，高速CAN的位采样为1次，低速时可 以有3次(例如TJA1000中由SAM位控制)。这意味着可以抵御1次干扰引起 的错误，因为没有看到这3次采样的间隔有多大，只能估计它是以Tq为单位。 高速时实现3次采样的可能性在于厂家产品的设计，与CAN标准无关，如果以 1 Mbps计算，每位分为25个Tq,那么在3次采样下，可以抵御的干扰持续 时间为40 ns。FlexRayr总线

8、容许的误启动时间与位采样点位置无关，由 dActivityDeteetion决定，最小为100 ns。正常传送时，根据FlexRay数据 链路层3. 2. 2的规定，每一位采样cSamplesPerBit(=8)次，将最近的 cVotingSamples(=5)次按多数进行表决，即可得到当时的总线接收值 (zVoted Val)。因此这种方法可以抵御1/4位长度的干扰，按FlexRay 10 Mbps计算，抵御的干扰持续时间为25 ns。2媒体存取与逻辑链路层2. 1位填充CAN总线的位填充是在以前的位填充做法的基础上发展起来的。在高级数据 链路控制规程(HDLC)中用01111110作报头与

9、报尾的标志位；在其他部分为 了不致引起误解，采用每连续5个“1之后填入一个“0的办法，接收后将填人 的O去掉。cAN总线不仅在连续5个1之后填入一个“0，而且在5个“0之 后填入一个“1，接收后将填入位丢掉。CAN总线这样做不仅为报错机制(报错 帧)创造了条件，而且还有2个对信号传递有利的方面：一是为CAN总线的位 同步创造了较短的同步间隔，有利于提高同步精确度；二是有利于在总线上引入 适时的反向放电，减少因总线长期同一极性充电造成的物理层误判。但是位填充方法减弱了 CAN总线的CRC防止错误漏检的能力。发生在填充 位的错误会改变位流的相位，只要有2次填充位错就会使原来的部分位流提前 或推后1

10、位，而此时仍有CRC检查通过的可能。通过仿真方法注入位错，求出 CRC检查漏检出错的概率为1.3x10-7,而不是CAN总线声称的所有5位以下 的错误均能检出。位填充的另一个缺点是造成数据输送率的下降以及帧长度的不 确定性。FlexRay总线没有用位填充的方法，使用其他方法实现位同步。2. 2帧编码与解码关于CAN总线的帧已有大量文献介绍，这里不再赘述。FlexRay总线则复 杂得多，其中对用户安排带宽起关键作用的是扩展字节的概念。根据FlexRay 总线数据链路层3. 2. 1. 1. 3的规定，每一个字节开始处要有一个由、1和0 组成的字节开始序列(Byte Start Sequence,

11、 BSS)，然后才是要传送的8位 数据。FlexRay容许的最大时钟变化cClockDeviationMax为1 500x10-6(0. 15%)，因此收发之间可能差O. 3%,每333次就可能差1 次采样。如前所述，1位要采样8次，那么不到44位就会差1次采样，因此除 了时钟本身的偏移与速率要校正外，FlexRay中也有位同步的机制。位同步有2个条件：同步机制已使能；zVotedVal由高到低的跳变。正常传 送时，同步机制的使能发生在BSS的zVotedVal为高时。当同步时，将保存 zVotedVal的cSamplesPerBit位循环计数器置2；当循环计数器计数为 cStrobeOffs

12、et(=5)时，将该zVotedVal取作真正送到协议其他部分的位置。 考虑到实现位同步必须有BSS这个因素，一个FlexRay信道即使不算其他开销， 至多只能传送8Mbps的实际数据；再加上其他的开销，例如发送帧之间的间隔 cChannelIdleDelimiter( = 11 位)等，有效的负载更小。2. 3回读CAN总线发送节点能够在送出1位时又把它从总线上读回来，其他总线没有 这个功能。这个功能提供了无损位仲裁的基础，让优先级高的消息获得在总线上 继续传送的权力；同时，增强了发送节点早一点检测出错误的能力，一旦有错就 可发送报错帧并停止原来帧的传送，节省了出错后无用部分的继续传送带宽。

13、2. 4错误约束CAN总线对错误的检测主要是编码与解码的过程，例如bit错、填充错、ACK 错、CRC错和格式错。对于时间同步，并未将其视为重要问题。例如当重同步 误差大于重同步跳跃宽度时，肯定会出现位同步的失败，造成数据传送的错误。 这种错误会被误认为是由其他原因引起，而不能及时发现。有时候它也成为 Babbling idiot失效的原因。CAN总线对瞬态故障与永久性故障采用分类的约 束办法。有错时收发错计数器增加快，正常时收发错计数器减少慢，按收发错计 数器的值把节点分为主动报错状态、消极报错状态和离线状态。处于消极报错状 态的节点有可能无法正确接收到帧。出错过于频繁时把有永久性故障倾向的

14、节点 从总线上切除，虽然被切除的节点失去了通信能力，但其他节点间的通信可能免 除了骚扰，这不失为一种有效的故障时性能逐步退化的策略(scalable degradation)。FlexRay总线的检错包括解码过程中的错以及时间同步过程中的错，例如数 据帧接收时是否有格式错、CRC错，符号(symbol)传送时高、低的时间长度是 否在范围内。由于是时间触发协议，通过各分散的节点预定发送时间与实际发送 时间的差进行修正，建立同步时基，对发送时间的超限要求更严。它对时间同步 中产生的问题也采取了一种逐步退化的策略。它有一个协议运行控制的机制 (POC)，POC 有 3 个状态，为 POC: norm

15、al active(积极)，POC： norreal passive(消极)和POC： haIt(停止)。其中，积极状态下，同步处于容许界限内， 不会破坏其他节点的同步；消极状态下，同步已恶化到不能再发送的地步，若再 发送就有可能超出它的窗口而与其他节点冲突，但它容许接收，以取得足够的同 步重返积极状态。在自检或完好性检查(sanity check)未通过，或POC与其他 核心机制发现严重错，或host检查到错误给出命令的情况下，POC会进入停止 状态，此时只有重新初始化了。从上面的简述可见，在保证所有节点数据的一致性上，二者都是要靠其他措 施的，而这些可能的措施(例如组籍算法，members

16、hip algorithm)都有待讨 论，对错误的约束仅限于逐步退化的策略。2.5帧出错率总线传送中的出错来源于各种干扰，除了前面分析的信号电平、采样过程、 共模电压以外，来自电源的传导干扰也可能使通信控制器工作异常而通信失效， 所以不能仅以物理层的一些指标作完整的判断。帧的出错概率对应用有很大影 响，它涉及出错以后该怎么办的问题。帧的出错概率与帧长成比例关系， CAN2. 0A的最大帧长为133位，FlexRay的最大帧长为2 625位（254字节 数据+8字节开销+ 5个起始/停止位，这里1字节=10位）。假设二者的误码 率相同，那么FlexRay的帧出错率PF约为CAN（Pc）的20倍。

17、虽然FlexRay 帧可传送的数据多得多，但是一个帧错了，其中的消息便全部不能利用，这种消 息捆绑在一起的特性，大大增加了出错的机会。如果将FlexRay像CAN那样传 送短帧，那么帧的效率会比CAN还低，存放静态段调度表的硬件部分更大。如 果将来由于ECU内处理器更强大，一个节点发送的消息更多，那么这种长帧有 用途，但是出错概率的增大仍是缺点。另外，用长帧传短消息涉及消息在帧内的 编排方法，这种灵活性必然要求有高级通信层的统一约束，否则会带来修理、供 货、管理上的不便与成本的增加。这可能是漫长的路，在统一之前仍然是各汽车 厂专用的封闭的高层协议，几乎没有留给外人插足的空间。3与FlexRay

18、总线的比较3.1单信道应用出错自动重发是CAN总线的一大特点。FlexRay协议的网络拓扑结构包括 总线方式，但是用2个信道还是1个与性能和成本关系很大。FlexRay的设计 是用2个信道同时传送来保证传送的正确性，因为它不像CAN有出错重发的功 能。2个通道同时出错的概率比较小，不考虑出错重发时丢帧也不多。如果考虑 2个信道同时出错而要求重发，则必须在应用层处理，而在动态时隙中传送请求 与重发，不是一件容易的事，也推迟了送达时间。如果FlexRay只用一个信道 来完成，出错概率较大，为了简化应用可以采用重复传送的方法（即时间冗余）， 在2次或多次传送中只要有1次成功便可。但是这样做相当于把F

19、lexRay的带 宽降了下来，例如减为1/2或1/3。这并不意味着2个信道时吞吐量仅为10 Mbps或更小，因为可以在其中一个信道安排较多的动态段，用于出错消息的重 发请求与重发，即仅传送出错的部分。3.2安全攸关应用的额外要求对FlexRay这样的时间触发通信协议，其错误约束机制中已尽量考虑了各种 可能的出错情况，防止一个节点的发送超出预定给它的时间窗口。为了提高防错 的能力，另外设计了总线监守。总线监守有自己的时钟线路和与节点发送的调度 表，它控制该节点的总线驱动器，仅在容许的时间窗口里让总线驱动器工作。这 种机制给防止冲突构成了双保险，但是增加了系统的成本，所以把它作为选件。 在Flex

20、Ray中有2种总线监守：一种是本地总线监守，即与节点靠近的地方， 甚至是可以做在同一硅片上的总线监守；另一种是远方的星型耦合器中的集中式 总线监守。在总线式应用中有关的是本地总线监守。虽然总线监守要做的事少一 些，但是它也要有时间同步的相关机制，以及启动和从休眠中唤醒的算法。为实 现这些功能，从总线上接收数据的部分就是必不可少的。由于仅少了发送部分， FlexRay甚至提到过一种可能：将控制芯片设计成可组态的，既可用作通信控 制器，又可以用作总线监守。这就说明了总线监守的结构是复杂的、高成本的。 有的FlexRay文献中提到，可以将安全攸关的节点与要求稍低的节点连在同一 总线上，要求低的节点可

21、以不配总线监守。这种讲法是不正确的，因为根据木桶 原理，一段总线上通信的冲突可能性由最有可能引起冲突的节点决定，安全要求 低的节点发送超时会引起总线上的冲突，影响安全攸关消息的传送。4小结目前在车内总线技术的竞争方面，CAN总线的主要对于是FlexRay总线， 因此与FlexRay总线在单信道应用上的比较是不可避免的。因为在一个信道上 传送FlexRay的帧出错率高很多，又没有出错自动重发的机制，所以FlexRay 总线要减少出错就必须重复发送，以时间备份的方式纠错。经过FlexRay扩展 字节与时间备份的折扣，有效的数据传送速率已降到4 Mbps；再加上其他开销， 带宽还会减小。另一方面，时

22、间触发协议的调度表的求解在负载越大时越困难， 不可能用足4 Mbps。FlexRay总线的通道长度最长为24 m,如果CAN总线也限于24 m，则根 据每米信号传送迟后约5 ns计算，CAN位时间中传送段的通道传送部分为240 ns。若设计驱动器的响应时间为40 ns左右（如SJAl000），那么CAN总线的 数据传输速率达到23 Mbps也是可能的，虽然ISO11898-1限定1 Mbps 为上限，但它并非技术的极限。FlexRay总线在抗共模干扰上比CAN总线强， 但是出错并不仅由共模干扰引起，例如来自电源的传导干扰也会引起包括比较器 在内的的所有电路出错，所以并不能确定FlexRay总线

23、的硬件可靠性高于CAN 总线。在保证传送数据的一致性方面，2种协议都要有应用层的解决办法， FlexRay总线并未提供直接可用的机制。作为通信的下层，它们都采取的是性 能逐步退化的策略。也有人在研究冗余通道、星形拓扑等措施在CAN总线中如 何实现，并非不可能。就CAN总线而言，FlexRay总线是一种挑战，但是在单信道的总线拓扑应 用中FlexRay总线并不构成威胁。由于目前高档车内已经用了不止一个CAN总 线系统，用双信道的FlexRay取代多个CAN总线系统有可能在性价比上取得进 展，但是与现在生产的应用CAN总线的ECU存在兼容问题，且成本较高，这 些问题的解决还有待时日。尽管CAN总线有一定局限，甚至还有漏洞，但对CAN 总线的改进还在继续，在未来的510年里CAN总线仍然有很大的性价比优势。