基于Vector工具進(jìn)行CAN協(xié)議錯(cuò)誤幀的分析實(shí)踐

作者 |Dawnfly
小編 | 不吃豬頭肉

引言

CAN（Controller Area Network）協(xié)議是當(dāng)前使用最普遍的車(chē)載通信協(xié)議之一，其優(yōu)點(diǎn)不只體現(xiàn)在多主并行、最高達(dá)1Mbit/sec的傳輸速率（針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CAN）、基于優(yōu)先級(jí)的仲裁機(jī)制以及廣播發(fā)送的短幀結(jié)構(gòu)，還體現(xiàn)在其錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制上。通過(guò)總線(xiàn)數(shù)據(jù)以及總線(xiàn)波形來(lái)分析總線(xiàn)故障時(shí)，CAN協(xié)議錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制中豐富的錯(cuò)誤幀類(lèi)型能讓定位問(wèn)題的效率更高。錯(cuò)誤幀是CAN協(xié)議進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)告的方式，可以將總線(xiàn)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的信號(hào)通知給其他節(jié)點(diǎn)。作為一名總線(xiàn)測(cè)試工程師，在日常測(cè)試過(guò)程中不可避免的會(huì)接觸到錯(cuò)誤幀，因此了解錯(cuò)誤幀的作用、類(lèi)型與產(chǎn)生原因，對(duì)于測(cè)試工作的順利開(kāi)展有很大的幫助。

CAN錯(cuò)誤幀格式

圖1 錯(cuò)誤幀通用格式

CAN錯(cuò)誤幀通用格式如上圖1所示，主要包括錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤界定符兩個(gè)部分，其形成的原理以及作用如下：

錯(cuò)誤標(biāo)志

出現(xiàn)錯(cuò)誤后若CAN節(jié)點(diǎn)處在主動(dòng)錯(cuò)誤階段則發(fā)送6個(gè)連續(xù)顯性位，在被動(dòng)錯(cuò)誤階段則發(fā)送6個(gè)連續(xù)隱性位。由于6個(gè)連續(xù)相同的位違背了位填充規(guī)則會(huì)引發(fā)填充錯(cuò)誤，會(huì)使其他節(jié)點(diǎn)也發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，因此，一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志通常由兩個(gè)連續(xù)6位的信號(hào)組成，由于會(huì)存在錯(cuò)誤標(biāo)志的重疊，所以錯(cuò)誤標(biāo)志的長(zhǎng)度會(huì)在6-12位的范圍。

錯(cuò)誤界定符

錯(cuò)誤界定符由8個(gè)連續(xù)隱性位組成，所有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志后，都會(huì)向總線(xiàn)發(fā)送1個(gè)隱性位，若檢測(cè)到總線(xiàn)上該位為隱性，則發(fā)送剩下的7個(gè)隱性位。

CAN錯(cuò)誤幀分類(lèi)

CAN錯(cuò)誤幀根據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型可以分為發(fā)送錯(cuò)誤和接收錯(cuò)誤兩大類(lèi)，根據(jù)錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因則可以分為位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、ACK錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤以及CRC錯(cuò)誤，下圖2為各類(lèi)錯(cuò)誤幀所檢測(cè)范圍的分布。

圖2 錯(cuò)誤檢測(cè)分布

位錯(cuò)誤：回讀總線(xiàn)位狀態(tài)與自身發(fā)送的位不同，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤幀，需要注意仲裁段和ACK位發(fā)送隱性位但是回讀到顯性位除外。

填充錯(cuò)誤：違反位填充規(guī)則，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文時(shí)遇到5個(gè)相同極性位后需要插入1個(gè)極性相反的位，接收節(jié)點(diǎn)再接收?qǐng)?bào)文時(shí)則需要?jiǎng)h除填充位。如果接收到的報(bào)文存在6個(gè)相同極性的位，則第6個(gè)位便是出現(xiàn)了填充錯(cuò)誤，需要在該位后發(fā)送錯(cuò)誤幀。

ACK錯(cuò)誤：當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文后，在ACK位沒(méi)有在總線(xiàn)上檢測(cè)到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的顯性電平。

格式錯(cuò)誤：固定格式位場(chǎng)（如CRC界定符、ACK界定符、EOF等）與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義的顯隱性不同則會(huì)被檢測(cè)為非法位觸發(fā)格式錯(cuò)誤，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀。

CRC錯(cuò)誤：接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算的CRC序列與接收到報(bào)文中的CRC序列不同。

錯(cuò)誤幀的表現(xiàn)形式

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

為了更直觀(guān)的展示各種錯(cuò)誤幀類(lèi)型，搭建了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以VN1630為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，VH6501為接收節(jié)點(diǎn)，結(jié)合VH6501的報(bào)文干擾功能制造各類(lèi)錯(cuò)誤幀。

1. 發(fā)送錯(cuò)誤

位錯(cuò)誤

如圖4所示，用VH6501干擾發(fā)送節(jié)點(diǎn)仿真報(bào)文的SOF位后，SOF位出現(xiàn)位錯(cuò)誤，在Bit0開(kāi)始發(fā)送錯(cuò)誤幀，接收節(jié)點(diǎn)在Bit5檢測(cè)到存在6個(gè)連續(xù)的隱性位，觸發(fā)填充錯(cuò)誤。

圖4 位錯(cuò)誤報(bào)文示例

ACK錯(cuò)誤

按照CAN協(xié)議的規(guī)定，在一幀報(bào)文發(fā)出之后，如果接收節(jié)點(diǎn)成功接收了該幀報(bào)文，則接收節(jié)點(diǎn)需要在該幀報(bào)文ACK段內(nèi)向總線(xiàn)上發(fā)送一個(gè)顯性位來(lái)對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)在ACK段內(nèi)從總線(xiàn)上回讀到一個(gè)顯性位。如圖5所示，通過(guò)配置關(guān)閉接收節(jié)點(diǎn)的ACK應(yīng)答功能，此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK位沒(méi)有收到其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，觸發(fā)ACK錯(cuò)誤。

圖5 ACK錯(cuò)誤報(bào)文示例

格式錯(cuò)誤

如圖6所示，分別干擾EOF的第一位和第六位都會(huì)導(dǎo)致發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)格式錯(cuò)誤，是由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送隱性位EOF，回讀到總線(xiàn)為顯性位，在該位后發(fā)送格式錯(cuò)誤幀。

圖6 EOF格式錯(cuò)誤報(bào)文示例

2. 接收錯(cuò)誤

填充錯(cuò)誤

如圖7所示，干擾報(bào)文0x210，使Bit7隱性變?yōu)轱@性，總線(xiàn)出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)顯性位，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到填充錯(cuò)誤，發(fā)送錯(cuò)誤幀。

圖7 報(bào)文填充錯(cuò)誤

CRC錯(cuò)誤

如圖8所示，通過(guò)VH6501直接發(fā)送報(bào)文序列，并篡改數(shù)據(jù)場(chǎng)使其與CRC序列不匹配，觸發(fā)接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到CRC錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位置是100（ACK DEL），ISO 11898-1中規(guī)定檢測(cè)到CRC錯(cuò)誤后，應(yīng)該在ACK界定符之后發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。

圖8 CRC錯(cuò)誤報(bào)文示例

格式錯(cuò)誤

如圖9所示，Position 98和Position 100分別為CRC界定符和ACK界定符，干擾發(fā)送報(bào)文固定格式位后，接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到格式錯(cuò)誤幀。

圖9 界定符格式錯(cuò)誤報(bào)文示例

錯(cuò)誤標(biāo)志重疊由于錯(cuò)誤標(biāo)志為6個(gè)極性相同的位，因此錯(cuò)誤標(biāo)志會(huì)導(dǎo)致填充錯(cuò)誤，引起其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，或在發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志時(shí)將原本個(gè)，從而使其他節(jié)點(diǎn)緊跟著發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，當(dāng)引起全局錯(cuò)誤時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，使得錯(cuò)誤標(biāo)志為6個(gè)位。以下為三種典型錯(cuò)誤標(biāo)志重疊范例。

重疊部分為6個(gè)位時(shí)

如圖10所示，在固定格式ACK界定符發(fā)送后，總線(xiàn)獲取到的信號(hào)為顯性位，由此發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到格式錯(cuò)誤，都在ACK界定符后發(fā)送6個(gè)連續(xù)顯性位。

圖10 錯(cuò)誤標(biāo)志完全重疊

重疊部分為5個(gè)位時(shí)

用定位可以如圖11所示，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)B出現(xiàn)CRC錯(cuò)誤時(shí)，在ACK DEL后發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)A監(jiān)測(cè)到EOF的第一位被顯性位覆蓋，發(fā)送格式錯(cuò)誤幀，總線(xiàn)上表現(xiàn)為7位長(zhǎng)度的錯(cuò)誤標(biāo)志。

圖11 錯(cuò)誤標(biāo)志部分重疊

重疊部分為0時(shí)

如圖12所示，發(fā)送節(jié)點(diǎn)回讀總線(xiàn)監(jiān)測(cè)到位錯(cuò)誤，發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，當(dāng)錯(cuò)誤標(biāo)志的6個(gè)連續(xù)顯性位發(fā)送完畢之后，總線(xiàn)上出現(xiàn)填充錯(cuò)誤，引起其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，從而使錯(cuò)誤標(biāo)志達(dá)到12個(gè)位。

圖12 錯(cuò)誤標(biāo)志不重疊

總結(jié)

CAN總線(xiàn)在幾十年的使用和發(fā)展下，被使用在幾乎每一臺(tái)車(chē)輛上，可以說(shuō)是車(chē)輛行業(yè)不可或缺的存在，是現(xiàn)如今國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。而錯(cuò)誤幀是CAN總線(xiàn)用于錯(cuò)誤報(bào)告的報(bào)文，豐富的錯(cuò)誤幀類(lèi)型有助于迅速排查定位總線(xiàn)故障，因此錯(cuò)誤幀的理解和使用也是作為總線(xiàn)測(cè)試工程師的必修課，希望這篇簡(jiǎn)介能夠幫助了解錯(cuò)誤幀的相關(guān)內(nèi)容。北匯信息是一家專(zhuān)注于汽車(chē)電子測(cè)試領(lǐng)域的企業(yè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試有著豐富經(jīng)驗(yàn)，并可提供相關(guān)培訓(xùn)、咨詢(xún)服務(wù)以及測(cè)試解決方案，幫助汽車(chē)制造商和零部件供應(yīng)商確保其車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。如果需要具體的測(cè)試服務(wù)或了解更多信息，歡迎大家來(lái)聯(lián)系我們。

參考文獻(xiàn)：【1】《ISO11898-1 - 2015》，Road vehicles - Controller area network (CAN) - Part 1:Data link layer and physical signalling【2】《CAN入門(mén)書(shū)》瑞薩科技RCJ05B0027-0100【3】文中部分圖片來(lái)源于Vector