全面了解CAN总线(一)..doc

10799修改稿2008-7-14 CAN总线的抗干扰能力 杨福宇 2008-4-27 Email:yfy812@163.com Disturbance reject design of CAN bus by Fuyu Yang 摘要：本文通过对RS485、CAN与FlexRay协议中有关抗干扰能力的指标的比较与分析，说明CAN总线在抗干扰设计上有独到之处：在物理层上总线信号的二值性以及发生竞争时结果的唯一性，使总线有高的抗干扰信号阈值并在出错时可及时发现错；在数据链路层上设计有出错时的报错帧发送以及出错自动重发功能，保证了总线上数据的一致性以及毋须应用层参预的纠错能力。这些特点使CAN总线在环境恶劣的应用场合有着明显的优势。 CAN总线经近20年的发展已步入壮年期，它不仅在汽车上的应用占了压倒优势，在其它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，又有新的总线例如FlexRay在挑战时，它的荣耀还能持续多久？这些问题都离不开对通信技术本质的理解，对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最佳性价比的技术。没有这些追求，可能我们会一直停留在RS232的标准上。当今CAN的竞争对手前有以RS485为物理层的总线，后有FlexRay，这种形势下 CAN总线的生命力在于它的优越的抗干扰能力与性价比，这些都来源于它独特的物理层与数据链路层的设计。 物理层[1],[2],[3] 信号状态 CAN总线的信号状态为二种：隐位与显位。当总线上出现同时有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总线的可靠性与其它特性有很大贡献。作为对比，以EIA-485(即RS-485)为例，它有“0”，“1”以及“高阻”三种状态，当所有节点都不发送的空闲状态时，“高阻”使总线电平处于“0”-“1”之间的不定状态。在干扰影响下，错误可能是局部性的，有的接收节点会误以为新帧的开始，例如在其上运行以UART为基础的协议时，“0”被视为新Byte的起始位。等到发现错而复位到空闲状态时，可能已经与其它节点不同步，因为其它节点可能并未发现这个“0”。为了解决这个问题，485总线往往采用外加上拉与下拉电阻，使发送节点在高阻状态时，总线上保持确定的“1”电平。但是这种办法降低了节点的负载能力。 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，主节点用查询来让从节点有发送机会，这种方法使总线的利用率较低，从节点消息发送的等待时间较长。有些总线采用令牌方式，令牌的丢失和重复也需要特别的处理机制。 许多总线是不容许总线上有冲突的，因为发生冲突后，不同的接收节点得到的电平结果是不同的，使它们对总线上发生的事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，形成节点间状态的不同步。但是由于干扰，节点可能会有误动作，会发生不希望的冲突。为此，要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（bus guardian）。在CAN总线里，冲突的处理由于该信号的二值且“单稳态”的特性变为很简单，报错帧可以使所有节点（包括发生冲突的节点）很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”四种，在正常工作模式时，总线接收部分只认后三种状态。与RS485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（最小-450mv）~uBusActiveHigh（最大450mv））一段时间(dIdleDetection（最小50ns最大250ns)后，它就将RxEN引脚置”1”，并将RxD置”1”。当总线电平超出该范围以段时间（dActivityDetection(最小100ns最大300ns)）后，就退出闲置状态。因此它不会在闲置状态受干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由另设的总线监守加以防止。当然这些功能的添加意味着成本的增加。 信号电平与共模电压 信号电平的大小有二层影响，一是闲置时有干扰被误认为传送的启动信号，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-200mv时为“0“，大于200mv时为“1“。因此200mv幅度的干扰就可能