信息的传递,古往今来都是人类无比关注的一个问题。从最原始的肢体语言到高端的电子信号,信息传达的方法五花八门。而对于信息安全的追求也是从古至今未有变过,我国西周时期的《太公兵法》就有过“阴符”“阴书”的设计来保证信息的安全。
图1 让人心忧的信息安全
而在我们的工业生产中,为了保证信号的正确传递的方法更是五花八门。而在信息传递过程中采取CAN协议是一种常见的减少出错率的方案。那么,问题来了,CAN协议何德何能能让传输的信号不出错呢?这里就让我们来深入分析一番。利用CANScope总线综合分析仪来抓取一帧CAN的报文如下:
图2 CANScope总线综合分析仪抓取的报文
从图中可以看出CAN协议采取了差分信号传输的方式,可以有效杜绝来自外部的屏蔽干扰。而在最后一行的协议解析部分,经过观察我们发现一帧信号被分割成了不同颜色的一段段,每一段究竟是何含义?保证信号正确传输的秘密就隐藏在这些段落里。让我们来庖丁解牛分别为大家分析下。
数据头:在数据的开始,是一个1位的数据头,表示数据帧都开始。
图3 数据头
仲裁段:标志了本帧数据的优先级,其中包含了一个ID码,仲裁段中的ID码值越小,帧数据的优先级就越高,CAN控制器在发送数据的同时会监听电缆上的电平状态,如果发现仲裁位的电平与本节点发出的电平不一致,则退出发送放弃总线使用权。这样的设计可以提高总线的利用率,并且能让重要的信息优先发送。
图4 仲裁段
控制段:共六位,用于表示数据长度。在数据的控制段存有保留位以供未来协议规则扩展。
图5 控制段
数据段:经过前面的铺垫,数据段所编码的即是本帧数据所需要传达的信息。一帧信号可以传送0～8位数据,每字节8位。短小精悍保证信息的实时性。
图6 数据段
CRC段:CRC段即是保证数据准确的一个关键所在。为防止信号由于某种原因被更改,CAN的数据链路层上加入了CRC校验。发送节点会根据发送内容计算得到一个CRC值填入CRC段进行发送,而相应的接收节点也会对接收到的数据进行计算,并将计算出的CRC值和接收到的进行比对。能够对得上暗号的才是自己人,如果对照有误那么就说明传输的信号出现了问题,需要反馈错误消息。这样的机制保证了CAN不会收到错误的信息,其安全性毋庸置疑。
图7 CRC段
ACK段:用于表征信号是否被正确接收,接受正常的节点在ACK的第一位会发出一个显性位。根据ACK的状态,发送节点就可以了解到数据是否被传输成功。若发送失败,发送节点会根据自身状态来决定是否重传。
图8 ACK段
帧结束:由7个隐性位组成,表示该帧结束。
图9 帧结束
经过这样一番抽丝剥茧的分析,CAN的报文结构就这样清晰的展现在我们面前。由于CRC 段的存在,CAN出错的概率十分之小。
CRC校验所使用的CRC多项式最多可以检测出5个离散错误,或发现长度在15位以下偶然出现的突发错误。CRC校验对SOF位、仲裁段、控制段和数据段的位序列进行计算,但不考虑填充位。CAN协议中规定的15位校验序列源自于BCH代码,它是一种特别适用于127位以下消息长度的循环代码。CAN协议中所应用的15位多项式如下:
在发送或接收收到数据场的最后一位后,CRC寄存器就会包含待传输或者待接收的CRC序列。将计算出的CRC序列与接收到的CRC序列相除,接收器就可以识别出可能存在的CRC错误。
有些工程师担心CAN 收到错误的信息,在数据中又做了CRC校验的工作,岂不知在数据链路层CAN已经自备了CRC校验的工作,在数据中再加入CRC校验实际上是没有什么必要的。
CAN总线不但规定了物理层的差分传输规范,还规定了数据链路层的分包校验规则,而这两个都是由硬件自动完成,接收时,无需考虑是否有错误,只要从缓冲区取出数据即可,CAN的CRC校验可以保证错误率在10的-9次方以下,毫无疑问是一种非常安全可靠的传输协议。
CAN总线在信号的实时传输方面具有非常好的优越性,通过CANscope总线分析仪可以很好地完成CAN总线的故障排查与检测标定。致远电子凭借自身掌握的核心技术可为用户解决工业现场的各种疑难问题,期待与您一同成长。
