信息的傳遞,古往今來都是人類無比關(guān)注的一個(gè)問題。從最原始的肢體語言到高端的電子信號(hào),信息傳達(dá)的方法五花八門。而對(duì)于信息安全的追求也是從古至今未有變過,我國西周時(shí)期的《太公兵法》就有過“陰符”“陰書”的設(shè)計(jì)來保證信息的安全。
圖1 讓人心憂的信息安全
而在我們的工業(yè)生產(chǎn)中,為了保證信號(hào)的正確傳遞的方法更是五花八門。而在信息傳遞過程中采取CAN協(xié)議是一種常見的減少出錯(cuò)率的方案。那么,問題來了,CAN協(xié)議何德何能能讓傳輸?shù)男盘?hào)不出錯(cuò)呢?這里就讓我們來深入分析一番。利用CANScope總線綜合分析儀來抓取一幀CAN的報(bào)文如下:
圖2 CANScope總線綜合分析儀抓取的報(bào)文
從圖中可以看出CAN協(xié)議采取了差分信號(hào)傳輸?shù)姆绞?可以有效杜絕來自外部的屏蔽干擾。而在最后一行的協(xié)議解析部分,經(jīng)過觀察我們發(fā)現(xiàn)一幀信號(hào)被分割成了不同顏色的一段段,每一段究竟是何含義?保證信號(hào)正確傳輸?shù)拿孛芫碗[藏在這些段落里。讓我們來庖丁解牛分別為大家分析下。
數(shù)據(jù)頭:在數(shù)據(jù)的開始,是一個(gè)1位的數(shù)據(jù)頭,表示數(shù)據(jù)幀都開始。
圖3 數(shù)據(jù)頭
仲裁段:標(biāo)志了本幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí),其中包含了一個(gè)ID碼,仲裁段中的ID碼值越小,幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)就越高,CAN控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)監(jiān)聽電纜上的電平狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)仲裁位的電平與本節(jié)點(diǎn)發(fā)出的電平不一致,則退出發(fā)送放棄總線使用權(quán)。這樣的設(shè)計(jì)可以提高總線的利用率,并且能讓重要的信息優(yōu)先發(fā)送。
圖4 仲裁段
控制段:共六位,用于表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在數(shù)據(jù)的控制段存有保留位以供未來協(xié)議規(guī)則擴(kuò)展。
圖5 控制段
數(shù)據(jù)段:經(jīng)過前面的鋪墊,數(shù)據(jù)段所編碼的即是本幀數(shù)據(jù)所需要傳達(dá)的信息。一幀信號(hào)可以傳送0～8位數(shù)據(jù),每字節(jié)8位。短小精悍保證信息的實(shí)時(shí)性。
圖6 數(shù)據(jù)段
CRC段:CRC段即是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的一個(gè)關(guān)鍵所在。為防止信號(hào)由于某種原因被更改,CAN的數(shù)據(jù)鏈路層上加入了CRC校驗(yàn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)發(fā)送內(nèi)容計(jì)算得到一個(gè)CRC值填入CRC段進(jìn)行發(fā)送,而相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)也會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算出的CRC值和接收到的進(jìn)行比對(duì)。能夠?qū)Φ蒙习堤?hào)的才是自己人,如果對(duì)照有誤那么就說明傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)了問題,需要反饋錯(cuò)誤消息。這樣的機(jī)制保證了CAN不會(huì)收到錯(cuò)誤的信息,其安全性毋庸置疑。
圖7 CRC段
ACK段:用于表征信號(hào)是否被正確接收,接受正常的節(jié)點(diǎn)在ACK的第一位會(huì)發(fā)出一個(gè)顯性位。根據(jù)ACK的狀態(tài),發(fā)送節(jié)點(diǎn)就可以了解到數(shù)據(jù)是否被傳輸成功。若發(fā)送失敗,發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)自身狀態(tài)來決定是否重傳。
圖8 ACK段
幀結(jié)束:由7個(gè)隱性位組成,表示該幀結(jié)束。
圖9 幀結(jié)束
經(jīng)過這樣一番抽絲剝繭的分析,CAN的報(bào)文結(jié)構(gòu)就這樣清晰的展現(xiàn)在我們面前。由于CRC 段的存在,CAN出錯(cuò)的概率十分之小。
CRC校驗(yàn)所使用的CRC多項(xiàng)式最多可以檢測(cè)出5個(gè)離散錯(cuò)誤,或發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度在15位以下偶然出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤。CRC校驗(yàn)對(duì)SOF位、仲裁段、控制段和數(shù)據(jù)段的位序列進(jìn)行計(jì)算,但不考慮填充位。CAN協(xié)議中規(guī)定的15位校驗(yàn)序列源自于BCH代碼,它是一種特別適用于127位以下消息長(zhǎng)度的循環(huán)代碼。CAN協(xié)議中所應(yīng)用的15位多項(xiàng)式如下:
在發(fā)送或接收收到數(shù)據(jù)場(chǎng)的最后一位后,CRC寄存器就會(huì)包含待傳輸或者待接收的CRC序列。將計(jì)算出的CRC序列與接收到的CRC序列相除,接收器就可以識(shí)別出可能存在的CRC錯(cuò)誤。
有些工程師擔(dān)心CAN 收到錯(cuò)誤的信息,在數(shù)據(jù)中又做了CRC校驗(yàn)的工作,豈不知在數(shù)據(jù)鏈路層CAN已經(jīng)自備了CRC校驗(yàn)的工作,在數(shù)據(jù)中再加入CRC校驗(yàn)實(shí)際上是沒有什么必要的。
CAN總線不但規(guī)定了物理層的差分傳輸規(guī)范,還規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層的分包校驗(yàn)規(guī)則,而這兩個(gè)都是由硬件自動(dòng)完成,接收時(shí),無需考慮是否有錯(cuò)誤,只要從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)即可,CAN的CRC校驗(yàn)可以保證錯(cuò)誤率在10的-9次方以下,毫無疑問是一種非常安全可靠的傳輸協(xié)議。
CAN總線在信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸方面具有非常好的優(yōu)越性,通過CANscope總線分析儀可以很好地完成CAN總線的故障排查與檢測(cè)標(biāo)定。致遠(yuǎn)電子憑借自身掌握的核心技術(shù)可為用戶解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種疑難問題,期待與您一同成長(zhǎng)。
