低速容錯(cuò)CAN的容錯(cuò)機(jī)制介紹

汽車(chē)的CAN總線(xiàn)大致可以分為三大類(lèi)，分別是：?jiǎn)尉€(xiàn)CAN（GM專(zhuān)用的低速CAN）、高速CAN（通信速率高）以及低速容錯(cuò)CAN（通信速率較低但容錯(cuò)性能好）。本文所要講述的是低速容錯(cuò)CAN。在傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)中，車(chē)身舒適CAN節(jié)點(diǎn)對(duì)總線(xiàn)通信速率沒(méi)有過(guò)高要求，但為了適應(yīng)車(chē)型高中低配的變化，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量和組合及在車(chē)中的布置更為多樣，這就更多的引入了出現(xiàn)故障的因素，使得低速CAN在車(chē)身舒適網(wǎng)段得到了廣泛的應(yīng)用。

為了更好的了解低速容錯(cuò)CAN，首先要從它的協(xié)議講起。低速容錯(cuò)CAN最早被定義在ISO11519協(xié)議中，后續(xù)因?yàn)榉?1898-3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的樣件也完全符合ISO11519-2協(xié)議的要求，同時(shí)因?yàn)?1898協(xié)議應(yīng)用的范圍更全更廣，所以在2006年ISO11519-2協(xié)議徹底的被11898-3協(xié)議所替代。ISO11898-3定義了低速容錯(cuò)CAN的物理層、低速容錯(cuò)CAN的工作機(jī)制以及容錯(cuò)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

01 低速容錯(cuò)CAN的物理層

與高速CAN一樣，低速容錯(cuò)CAN也使用了差分雙絞線(xiàn)進(jìn)行傳輸，有CAN_H、CAN_L兩線(xiàn)，并且在嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合與高速CAN一樣要求使用專(zhuān)用的屏蔽雙絞線(xiàn)并加必要的防護(hù)電路。

在差分電壓的變化上低速容錯(cuò)CAN在顯隱性跳轉(zhuǎn)的時(shí)候CANH和CANL電壓的變化是比高速CAN要大的，這意味著低速容錯(cuò)CAN有著更高的抗干擾性。

11898-3定義了低速容錯(cuò)CAN在隱性狀態(tài)時(shí)，CANH為0V、CANL為5V。而當(dāng)?shù)退偃蒎e(cuò)CAN要發(fā)送顯性位時(shí)，CANL會(huì)跳轉(zhuǎn)到1V、CANH會(huì)跳轉(zhuǎn)到4V，這個(gè)時(shí)候單一條總線(xiàn)的電壓變化為4V，而且差分電壓大概也為4V(如圖1)，而高速CAN的差分電壓為2V(如圖2)，同時(shí)CANH與CANL從隱性跳轉(zhuǎn)到顯性的時(shí)候電壓的變化僅有1V，這也意味著高速容錯(cuò)CAN的容錯(cuò)性能是不如低速容錯(cuò)CAN的。

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圖1:低速容錯(cuò)CAN總線(xiàn)電壓



圖2:高速CAN總線(xiàn)電壓

在低速容錯(cuò)CAN的物理層中，11898-3還定義了它的終端電阻是直接端接在支線(xiàn)上的，電阻接線(xiàn)如圖3所示。這樣做的好處是在容錯(cuò)機(jī)制處理部分?jǐn)嗦饭收蠒r(shí)，哪怕會(huì)出現(xiàn)單線(xiàn)通信的情況，也會(huì)有終端電阻的存在去匹配阻抗以及減小反射（如圖4所示），這樣便不會(huì)因?yàn)閿嚅_(kāi)CANH或CANL的單線(xiàn)而對(duì)樣件的通信傳輸造成影響。



圖3:終端電阻接線(xiàn)圖



圖4:容錯(cuò)CAN單線(xiàn)工作時(shí)總線(xiàn)拓?fù)鋱D

02 協(xié)議中容錯(cuò)機(jī)制的定義

11898-3分別定義了電源故障和總線(xiàn)故障兩種類(lèi)型，而容錯(cuò)機(jī)制主要是對(duì)總線(xiàn)故障進(jìn)行處理。為了應(yīng)對(duì)不同的總線(xiàn)故障，11898-3定義了低速容錯(cuò)CAN需要有三種不同的收發(fā)器工作方式：差分驅(qū)動(dòng)和接收、CANH單線(xiàn)通信、CANL單線(xiàn)通信，三種工作方式對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)機(jī)制分別為狀態(tài)0：正常工作狀態(tài)、狀態(tài)E1:CAN_L故障檢測(cè)、狀態(tài)E2：CAN_H故障檢測(cè)。11898-3定義的幾種故障檢測(cè)機(jī)制的故障處理流程圖如下。



圖5：故障處理流程圖

03 TJA1054實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)機(jī)制

通過(guò)之前的介紹，我們對(duì)低速容錯(cuò)CAN的物理層有了較為全面的了解，現(xiàn)在我們便從物理環(huán)境的實(shí)現(xiàn)上來(lái)講解低速容錯(cuò)CAN的容錯(cuò)機(jī)制。在這我需要為大家介紹一款適用于低速容錯(cuò)CAN的收發(fā)器芯片-TJA1054。首先是這款芯片的物理環(huán)境，其結(jié)構(gòu)圖和引腳定義如下圖所示，TJA1054在CANH及CANL兩端的電阻設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了ISO11898-3需求，同時(shí)TJA1054設(shè)計(jì)有門(mén)檻電壓，能較好的實(shí)現(xiàn)低速容錯(cuò)CAN所需求的容錯(cuò)機(jī)制。



圖6：TJA1054芯片結(jié)構(gòu)圖



圖7：TJA1054芯片引腳定義圖

04 TJA1054的功能描述

TJA1054是控制器局域網(wǎng) CAN 中協(xié)議控制器和 CAN 物理總線(xiàn)之間的接口，它主要用于客車(chē)?yán)镒罡?125KBps的低速應(yīng)用，這個(gè)器件對(duì) CAN 總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN 控制器提供差動(dòng)接收能力。在正常操作模式時(shí)（沒(méi)有線(xiàn)路故障），差動(dòng)接收器在管腳 RXD 輸出（見(jiàn)圖 1）。差動(dòng)接收器輸入通過(guò)集成的濾波器連接到管腳CANH和CANL 波器輸入信號(hào)也可以用于單線(xiàn)接收器。接收器連接到有門(mén)檻電壓（差動(dòng)接收器的門(mén)檻電壓為-3.2V）的管腳CANH和CANL確保在單線(xiàn)模式里有最大的噪音容限。

同時(shí)定時(shí)器功能（TxD 顯性超時(shí)功能）已在器件中集成，它可以防止由于硬件或軟件程序故障，將管腳 TXD 持續(xù)地拉成低電平，使總線(xiàn)線(xiàn)路進(jìn)入持續(xù)的顯性狀態(tài)（這種狀態(tài)會(huì)阻塞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊）。

如果引腳 TXD 的低電平持續(xù)并超過(guò)某個(gè)時(shí)間后，發(fā)送器會(huì)被禁用，定時(shí)器會(huì)用 TXD 引腳上的高電平復(fù)位。而低速容錯(cuò)CAN的容錯(cuò)機(jī)制則是通過(guò)故障檢測(cè)器監(jiān)測(cè)總線(xiàn)電平，在監(jiān)測(cè)到其中一條總線(xiàn)故障后，監(jiān)測(cè)器便會(huì)切換到相應(yīng)的模式，模式圖如下表所示。這便滿(mǎn)足了ISO11898-3中定義的正常工作模式下的三種故障檢測(cè)機(jī)制。下圖便是TJA1054在不同錯(cuò)誤狀態(tài)下的接收器模式列表。



圖8：TJA1054在不同錯(cuò)誤狀態(tài)下的接收器模式

對(duì)于上表中出現(xiàn)的三種接收器模式，我將使用表格的形式為大家進(jìn)行介紹。首先是差動(dòng)模式，因?yàn)門(mén)JA1054設(shè)定了差動(dòng)接收器門(mén)檻電壓為-3.2V，這確保了當(dāng)出現(xiàn)下表中故障1、2、5、6a時(shí)，雖然CANH和CANL的電壓會(huì)因?yàn)橐陨纤姆N故障有改變，但最終差分電壓Vdiff都能在隱性時(shí)小于-3.2V顯性時(shí)大于-3.2V，所以不需要進(jìn)行調(diào)整便能繼續(xù)通信。

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當(dāng)出現(xiàn)了下表中故障4、6、7三種故障時(shí)，差分模式已無(wú)法滿(mǎn)足總線(xiàn)的正常通信。TJA1054會(huì)斷開(kāi)CANL，則CANL會(huì)保持Vcc的電壓不變，一直為5V。此時(shí)差分電壓Vdiff能滿(mǎn)足在隱性時(shí)小于-3.2V顯性時(shí)大于-3.2V，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障4、6、7三種故障的容錯(cuò)。

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當(dāng)出現(xiàn)CANH單線(xiàn)通信模式也無(wú)法解決的故障時(shí)，如下表故障3和3a，TJA1054會(huì)先斷開(kāi)CANL嘗試用CANH單線(xiàn)通信來(lái)保持通信，但故障3和3a在此時(shí)的差分電壓會(huì)一直大于-3.2V，使總線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間處于顯性狀態(tài)。所以這時(shí)TJA1054會(huì)嘗試保持CANL通信不變，斷開(kāi)CANH。此時(shí)CANH上電平始終為0V，差分電壓Vdiff在總線(xiàn)為隱性時(shí)為-5V（小于-3.2V），顯性時(shí)為-1.5V（大于-3.2），符合規(guī)范規(guī)定及使用需求，所以低速容錯(cuò)CAN在發(fā)生故障3和故障3a時(shí)正常通信。

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05 總結(jié)

當(dāng)前，低速容錯(cuò)CAN由于其通信速率的限制，其在車(chē)載領(lǐng)域的應(yīng)用更少了，本文所介紹的低速容錯(cuò)CAN的物理層、容錯(cuò)機(jī)制以及容錯(cuò)機(jī)制在芯片中的實(shí)現(xiàn)原理，希望可以加深大家對(duì)CAN通信原理的理解。




審核編輯：劉清