從新能源汽車CAN總線入手，學習兼容性更強大通訊系統(tǒng)

CAN總線通訊發(fā)展的過程中，為了兼容實時操作系統(tǒng)，是否也有與之對應的實時通訊網(wǎng)絡協(xié)議？ 今天我們就來學習兼容性更強大的通訊系統(tǒng)。

ISO11898前3部分的解讀提高了對傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的理解，無論是高速CAN還是低速CAN，亦或者是最基礎的物理層定義都進行了詳細的闡述。傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡總線通訊基本都是事件觸發(fā)的，當同時有許多信息需要傳輸時可能會造成總線過載，為了避免這種現(xiàn)象，傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡采用仲裁機制按信息優(yōu)先級進行傳輸。

圖1 新能源汽車CAN總線透視圖

顯然，傳統(tǒng)分布式的CAN網(wǎng)絡如果能用于實時操作系統(tǒng)（基于時間觸發(fā)調度而非事件觸發(fā)），對于系統(tǒng)的兼容性和綜合集成性將大有提高，但問題是我們如何才能將并非同樣遵從時間調度的兩者結合起來呢？

一、時間觸發(fā)CAN

1、概述

時間觸發(fā)CAN是建立在標準CAN上的高層協(xié)議，它會對網(wǎng)絡中所有節(jié)點通訊進行同步調度，也就是每個節(jié)點在一個固定的時間里發(fā)送信息，這樣就不用再對信息進行優(yōu)先級仲裁，由于每個節(jié)點分配到的時間是固定的，所以還可以預判整個網(wǎng)絡的延遲時間。

1.1 要實現(xiàn)這樣的時間觸發(fā)CAN通訊有兩種方式

方式一：用于周期信息傳輸。

方式二：支持全局系統(tǒng)時間傳輸。

1.2 幾個重要概念

• 基本周期：兩個參照幀之間的時間被稱為一個基本周期，基本周期由數(shù)個時間窗組成；

• 參照幀：開始一個基本周期的數(shù)據(jù)幀，為網(wǎng)絡提供一個全局時間，其作用就好像格林尼治時間之于世界時間一樣，用以同步所有節(jié)點的時間；

• 時間窗：系統(tǒng)矩陣里為傳輸信息分配的時間段，包括仲裁時間窗、自由時間窗和專用時間窗，見圖2。

圖2 一個周期內的數(shù)個時間窗

所謂的時間觸發(fā)就是上面已經(jīng)分配好的的數(shù)據(jù)從左到右按順序發(fā)送，下面介紹一下這三種時間窗：

• 專用時間窗（Exclusive Windows）：用來傳輸特殊的周期信息，這些消息不會參與總線競爭，是置身事外的一個記錄員角色。

• 仲裁時間窗（Arbitrating Windows）：CAN節(jié)點在總線不是空閑的時候是不能傳輸消息的，而在時間觸發(fā)CAN的仲裁時間窗里可以安排網(wǎng)路內的幾個節(jié)點同時發(fā)送報文，不過沒有重發(fā)功能。

• 自由時間窗（Free Windows）：保留用作系統(tǒng)擴展，可以配置成增加節(jié)點的仲裁時間窗或專用時間窗，相當于機動部隊。

圖3 系統(tǒng)矩陣

上圖的系統(tǒng)矩陣有4個基本周期，一個基本周期可由不同類型、長度的時間窗組成，矩陣的縱列也叫做傳輸陣，傳輸陣里的時間窗有相同的長度但是可以擁有不同類型。

二、接收和發(fā)送

明確完了概念，我們接下來了解時間觸發(fā)CAN是如何接收和發(fā)送信息的。

1、信息的發(fā)送

信息發(fā)送觸發(fā)器

在時間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡里，節(jié)點發(fā)送的信息由信息發(fā)送觸發(fā)器控制。信息發(fā)送觸發(fā)器會顯示信息是由系統(tǒng)矩陣里面的哪個時間窗以及怎么來進行傳輸?shù)摹?/p>

所以，信息發(fā)送觸發(fā)器有多個功能組，一是信息正確性判斷，二是發(fā)送的時間標示，三是判斷傳輸陣里的發(fā)送位置，四是重發(fā)因數(shù)，一個信息發(fā)送觸發(fā)器的觸發(fā)條件滿足時，即使信息的傳輸出錯導致信息失效時它也將立即啟動。

圖4 舉例一個專用信息的發(fā)送觸發(fā)器

上圖是一個專用信息D的信息發(fā)送觸發(fā)器，它表述了在系統(tǒng)矩陣里第三個基本周期的第五個時間窗（專用窗）發(fā)送，周期偏差為0，重發(fā)因素為2。

2、信息的接收

信息接收觸發(fā)器

在時間觸發(fā)CAN里，信息的接收是由信息接收觸發(fā)器控制的，信息接收觸發(fā)器的構成與上述的信息發(fā)送觸發(fā)器一樣，信息接收觸發(fā)器的時標會在信息接受完成后確定時間點。

3、參照幀的發(fā)送

信息接收觸發(fā)器

參照幀發(fā)送觸發(fā)器是一個特殊的信息發(fā)送觸發(fā)器，它只存在于備用的時間主節(jié)點里。在嚴格的時間觸發(fā)網(wǎng)絡中，只用唯一的一個參照幀發(fā)送觸發(fā)器來確保參照幀的周期發(fā)送，只要時間到了，參照幀就會被發(fā)送。

而在事件同步的基本周期系統(tǒng)中會有兩個參照幀發(fā)送觸發(fā)器，其中一個參照幀發(fā)送觸發(fā)器按系統(tǒng)矩陣基本周期定時發(fā)送，另一個作為后備，在事件同步異常時重新發(fā)送參照幀。

三、時間主節(jié)點初始化和錯誤處理

1、時間主節(jié)點初始化概念

雖然正常通訊建立起來時只有一個時間主節(jié)點，但在時間觸發(fā)CAN中備用的時間主節(jié)點可能超過8個。系統(tǒng)啟動時，硬件初始化，所有備用時間主節(jié)點根據(jù)優(yōu)先級和等待時間可以開始嘗試發(fā)送參照幀。硬件初始化后有高優(yōu)先級的CAN標識符的幀同步實體（數(shù)據(jù)鏈路層和媒體訪問控制層的執(zhí)行單元）可以優(yōu)先傳輸。

2、錯誤處理

CAN的失效處理遵循ISO 11898-1的規(guī)定，當幀同步實體檢測到調度表有誤時，會通過CAN的ISO 11898-1協(xié)議來處理。

圖5 錯誤處理

四、小結

至此，我們將時間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡進行了一個概述，簡單介紹了這個有別于傳統(tǒng)CAN標準的高層協(xié)議，更詳細的論述可以參看ISO 11898-4原文，公眾號后臺回復【ISO11898-4】可獲贈原文文檔。