科普系列：低速容錯CAN的容錯機制介紹

作者 |TYT
小編 | 吃不飽

汽車的CAN總線大致可以分為三大類，分別是：單線CAN（GM專用的低速CAN）、高速CAN（通信速率高）以及低速容錯CAN（通信速率較低但容錯性能好）。本文所要講述的是低速容錯CAN。在傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)中，車身舒適CAN節(jié)點對總線通信速率沒有過高要求，但為了適應(yīng)車型高中低配的變化，其節(jié)點數(shù)量和組合及在車中的布置更為多樣，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CAN，首先要從它的協(xié)議講起。低速容錯CAN最早被定義在ISO11519協(xié)議中，后續(xù)因為符合11898-3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的樣件也完全符合ISO11519-2協(xié)議的要求，同時因為11898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CAN的物理層、低速容錯CAN的工作機制以及容錯機制的實現(xiàn)。01低速容錯CAN的物理層與高速CAN一樣，低速容錯CAN也使用了差分雙絞線進(jìn)行傳輸，有CAN_H、CAN_L兩線，并且在嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用場合與高速CAN一樣要求使用專用的屏蔽雙絞線并加必要的防護(hù)電路。

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

11898-3定義了低速容錯CAN在隱性狀態(tài)時，CANH為0V、CANL為5V。而當(dāng)?shù)退偃蒎eCAN要發(fā)送顯性位時，CANL會跳轉(zhuǎn)到1V、CANH會跳轉(zhuǎn)到4V，這個時候單一條總線的電壓變化為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CANH與CANL從隱性跳轉(zhuǎn)到顯性的時候電壓的變化僅有1V，這也意味著高速容錯CAN的容錯性能是不如低速容錯CAN的。
圖1:低速容錯CAN總線電壓
圖2:高速CAN總線電壓
在低速容錯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上的，電阻接線如圖3所示。這樣做的好處是在容錯機制處理部分?jǐn)嗦饭收蠒r，哪怕會出現(xiàn)單線通信的情況，也會有終端電阻的存在去匹配阻抗以及減小反射（如圖4所示），這樣便不會因為斷開CANH或CANL的單線而對樣件的通信傳輸造成影響。
圖3:終端電阻接線圖
圖4:容錯CAN單線工作時總線拓?fù)鋱D

02協(xié)議中容錯機制的定義
11898-3分別定義了電源故障和總線故障兩種類型，而容錯機制主要是對總線故障進(jìn)行處理。為了應(yīng)對不同的總線故障，11898-3定義了低速容錯CAN需要有三種不同的收發(fā)器工作方式：差分驅(qū)動和接收、CANH單線通信、CANL單線通信，三種工作方式對應(yīng)的故障檢測機制分別為狀態(tài)0：正常工作狀態(tài)、狀態(tài)E1:CAN_L故障檢測、狀態(tài)E2：CAN_H故障檢測。11898-3定義的幾種故障檢測機制的故障處理流程圖如下。
圖5：故障處理流程圖

03TJA1054實現(xiàn)的容錯機制
通過之前的介紹，我們對低速容錯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)境的實現(xiàn)上來講解低速容錯CAN的容錯機制。在這我需要為大家介紹一款適用于低速容錯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)計滿足了ISO11898-3需求，同時TJA1054設(shè)計有門檻電壓，能較好的實現(xiàn)低速容錯CAN所需求的容錯機制。
圖6：TJA1054芯片結(jié)構(gòu)圖
圖7：TJA1054芯片引腳定義圖

04TJA1054的功能描述
TJA1054是控制器局域網(wǎng) CAN 中協(xié)議控制器和 CAN 物理總線之間的接口，它主要用于客車?yán)镒罡?125KBps的低速應(yīng)用，這個器件對 CAN 總線提供差動發(fā)送能力，對CAN 控制器提供差動接收能力。在正常操作模式時（沒有線路故障），差動接收器在管腳 RXD 輸出（見圖 1）。差動接收器輸入通過集成的濾波器連接到管腳CANH和CANL 波器輸入信號也可以用于單線接收器。接收器連接到有門檻電壓（差動接收器的門檻電壓為-3.2V）的管腳CANH和CANL確保在單線模式里有最大的噪音容限。

同時定時器功能（TxD 顯性超時功能）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，使總線線路進(jìn)入持續(xù)的顯性狀態(tài)（這種狀態(tài)會阻塞整個網(wǎng)絡(luò)的通訊）。

如果引腳 TXD 的低電平持續(xù)并超過某個時間后，發(fā)送器會被禁用，定時器會用 TXD 引腳上的高電平復(fù)位。而低速容錯CAN的容錯機制則是通過故障檢測器監(jiān)測總線電平，在監(jiān)測到其中一條總線故障后，監(jiān)測器便會切換到相應(yīng)的模式，模式圖如下表所示。這便滿足了ISO11898-3中定義的正常工作模式下的三種故障檢測機制。下圖便是TJA1054在不同錯誤狀態(tài)下的接收器模式列表。
圖8：TJA1054在不同錯誤狀態(tài)下的接收器模式對于上表中出現(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。首先是差動模式，因為TJA1054設(shè)定了差動接收器門檻電壓為-3.2V，這確保了當(dāng)出現(xiàn)下表中故障1、2、5、6a時，雖然CANH和CANL的電壓會因為以上四種故障有改變，但最終差分電壓Vdiff都能在隱性時小于-3.2V顯性時大于-3.2V，所以不需要進(jìn)行調(diào)整便能繼續(xù)通信。
當(dāng)出現(xiàn)了下表中故障4、6、7三種故障時，差分模式已無法滿足總線的正常通信。TJA1054會斷開CANL，則CANL會保持Vcc的電壓不變，一直為5V。此時差分電壓Vdiff能滿足在隱性時小于-3.2V顯性時大于-3.2V，實現(xiàn)對故障4、6、7三種故障的容錯。
當(dāng)出現(xiàn)CANH單線通信模式也無法解決的故障時，如下表故障3和3a，TJA1054會先斷開CANL嘗試用CANH單線通信來保持通信，但故障3和3a在此時的差分電壓會一直大于-3.2V，使總線長時間處于顯性狀態(tài)。所以這時TJA1054會嘗試保持CANL通信不變，斷開CANH。此時CANH上電平始終為0V，差分電壓Vdiff在總線為隱性時為-5V（小于-3.2V），顯性時為-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CAN在發(fā)生故障3和故障3a時正常通信。
05總結(jié)
當(dāng)前，低速容錯CAN由于其通信速率的限制，其在車載領(lǐng)域的應(yīng)用更少了，本文所介紹的低速容錯CAN的物理層、容錯機制以及容錯機制在芯片中的實現(xiàn)原理，希望可以加深大家對CAN通信原理的理解。
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