一、CAN-bus信號(hào)產(chǎn)生原理

眾所周知，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CAN節(jié)點(diǎn)由微處理器、控制器、收發(fā)器構(gòu)成。多個(gè)節(jié)點(diǎn)成總線(xiàn)型架構(gòu)掛在一起，兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)上并有終端電阻。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。

圖1 CAN-bus節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

可以看出，與總線(xiàn)直接相連的是CAN節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器，起內(nèi)部電路等效如下圖所示，CAN-H、CAN-L直接由三極管驅(qū)動(dòng)，近似可以看成電流型輸出。結(jié)合上文所述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的終端電阻，節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)時(shí)電流流過(guò)終端電阻產(chǎn)生電壓信號(hào)，當(dāng)同一時(shí)間多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)就會(huì)使總線(xiàn)上的電流高于單一節(jié)點(diǎn)發(fā)出的電流，使得我們觀察電壓信號(hào)時(shí)出現(xiàn)突增的現(xiàn)象。

圖2 CAN收發(fā)器結(jié)構(gòu)

CAN-bus是總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，通常狀態(tài)下一般只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)占有總線(xiàn)。那么有幾種情況會(huì)導(dǎo)致多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出，進(jìn)而導(dǎo)致幅值出現(xiàn)“異常”呢，下文通過(guò)致遠(yuǎn)電子CANScope分析儀的幾個(gè)測(cè)試案例總結(jié)一下。

最常見(jiàn)的，當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)上存在3個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)答位上的幅值要明顯高于同一報(bào)文的其他位置，如下圖所示。可以看到報(bào)文在ID段、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)段處的幅值均比較一致，但是到應(yīng)答位處時(shí)幅值出現(xiàn)突增。這是為什么呢，大家都知道CAN-bus總線(xiàn)擁有自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，即當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送完一幀報(bào)文時(shí)，所有總線(xiàn)中的其余非只聽(tīng)節(jié)點(diǎn)均會(huì)在應(yīng)答位處做出響應(yīng)，如果報(bào)文被成功識(shí)別則發(fā)出一個(gè)顯性位做為應(yīng)答信號(hào)。

結(jié)合上文所述，應(yīng)答位此時(shí)CAN總線(xiàn)上的電流是若干節(jié)點(diǎn)電流疊加的綜合，所以應(yīng)答位的幅值高就很容易講通了。

圖3 應(yīng)答位上的幅值“異常”

CAN-bus總線(xiàn)的一大特點(diǎn)就是多主結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)功能對(duì)等，沒(méi)有主從機(jī)的概念，所有節(jié)點(diǎn)均可自由收發(fā)數(shù)據(jù)。保證多主結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于CAN總線(xiàn)的仲裁機(jī)制也稱(chēng)優(yōu)先級(jí)機(jī)制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)在ID段處產(chǎn)生仲裁，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)會(huì)最終占有總線(xiàn)。

如下圖所示，可以看到在圖中的標(biāo)記處波形出現(xiàn)了“臺(tái)階”。正是由于在“臺(tái)階”出現(xiàn)前有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)，導(dǎo)致幅值增高，在“臺(tái)階”處某一節(jié)點(diǎn)由于優(yōu)先級(jí)高占有總線(xiàn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)退出，使得幅值又回歸平常。

圖4 ID段上的幅值異常

再看看這個(gè)案例，可以看到在波形的后半部分也出現(xiàn)了臺(tái)階式的幅值增高，光標(biāo)卡住的顯性電平區(qū)間可以看到寬度明顯超過(guò)了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位寬，按照CAN總線(xiàn)的位填充規(guī)則（不能存在連續(xù)六個(gè)相同的顯性位或隱性位）表明這是一條錯(cuò)誤幀。但是不要誤會(huì)，并不是因?yàn)檫@個(gè)幅值“異常”而導(dǎo)致的錯(cuò)誤幀，我們知道CAN總線(xiàn)有錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制，以保證總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。這種可靠性正式通過(guò)錯(cuò)誤幀的“一票否決制”實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)識(shí)別到一條認(rèn)為是有問(wèn)題的報(bào)文后會(huì)發(fā)送六個(gè)連續(xù)的顯性位（即錯(cuò)誤幀），投出這一否決票通知網(wǎng)絡(luò)上所有其他節(jié)點(diǎn)，本條報(bào)文無(wú)效。此后其他節(jié)點(diǎn)會(huì)以“跟票”的形式全部發(fā)出六個(gè)顯性位錯(cuò)誤幀。所以此時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)重疊部分的錯(cuò)誤幀的幅值就會(huì)高一些了。

圖5 錯(cuò)誤幀上的幅值異常