洞察幽微 繼續(xù)談CAN總線的小門道

曾幾何時(shí)，汽車這么一個(gè)夕陽產(chǎn)業(yè)突然病樹前頭萬木春，一下子成了各大技術(shù)創(chuàng)新的母體和載體。 

近年來，隨著車載以太網(wǎng)的強(qiáng)勢登場，CAN總線也突然變得老土了起來。 

那么，CAN總線還有用武之地嗎？還有學(xué)習(xí)的必要嗎？ 

且不說工控、樓宇等其它領(lǐng)域里，CAN總線依然熱火朝天。就是在不斷追求高大上的汽車行業(yè)里，車載以太網(wǎng)跟CAN總線也是大路朝天，各走一邊。 

在動力控制域、車身控制域里，并不涉及大量的數(shù)據(jù)傳輸，上車載以太網(wǎng)有大材小用之嫌，這些控制器之間的通信，CAN總線也能玩得轉(zhuǎn)，性價(jià)比十分亮眼。 

成本才是王道！所以，貓有貓的道，狗有狗的道，說起CAN總線的壽命，它能陪你退休，伴你到老。 

打消了技術(shù)過時(shí)淘汰的顧慮，下面，灑家就書接上文，再嘮一嘮CAN總線那些不為人知的小門道。

報(bào)文ID分配的學(xué)問

上文說過，RS485為每個(gè)設(shè)備分配地址，屬于“設(shè)備尋址”，CAN總線是基于ID進(jìn)行“功能尋址”。 

CAN報(bào)文的ID除了內(nèi)容尋址、功能尋址外，還有競爭總線的作用，機(jī)制也很簡單，比大小。 

在這個(gè)叢林社會的現(xiàn)實(shí)世界，“尊嚴(yán)只在劍鋒之上，真理只在大炮射程之內(nèi)”，換句話說，誰大誰說了算！ 

但是在CAN總線的世界里，卻是孔融讓梨，互相謙虛，誰小誰說了算。 

誰小誰占先，這個(gè)規(guī)律擺在面前。那么，搞CAN總線開發(fā)的朋友們，如果讓你們自己來定一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的矩陣，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里有幾十條報(bào)文，有的是事件觸發(fā)型，有的是周期輪轉(zhuǎn)型，有的周期長，有的周期短，這里的ID分配，到底該怎么辦？ 

絕大部分人，可能真的沒有想到過這一點(diǎn)。 

在這里跟大家分享一個(gè)來自某車廠的網(wǎng)絡(luò)矩陣表，有心的小伙伴，可以自行體會體會。

都說外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。這張讓人有點(diǎn)眼花繚亂的圖，到底藏著哪些道道？ 

先說事件幀和周期幀，發(fā)現(xiàn)沒？事件幀報(bào)文的ID都小于周期幀報(bào)文。 

在時(shí)間無涯的荒野里，沒有早一步，也沒有晚一步，時(shí)間一到，周期幀就按時(shí)發(fā)報(bào)。那也沒有別的話好說，它唯有輕輕地問一句：“哦？沒有事件幀哈！” 

周期幀有著無垠的時(shí)間，不疾不徐，事件幀，緊急觸發(fā)，風(fēng)風(fēng)火火，自然需要一個(gè)小ID，對著周期幀喊聲“對不起，請讓讓”。 

那么，周期幀本身的ID呢？當(dāng)然取決于它出自哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 

條條大路通羅馬，有人出生在羅馬。人，生來不平等，才吶喊著、追求著“生而平等”，所以，報(bào)文ID的出身決定論，也是合理的了。 

再回到上面那張圖。發(fā)動機(jī)管理單元EMS、變速器控制單元TCU，掌管汽車動力，生殺予奪，自帶豪門屬性，自然需要分配優(yōu)先級最高的ID，空調(diào)AC、儀表IC實(shí)時(shí)性要求不高，車載Tbox可有可無，自然分配優(yōu)先級最低的ID。 

雖說同是汽車電子零部件，但還是要分個(gè)三六九等。其實(shí)，這些電子單元，也沒必要叫屈喊冤，還有個(gè)冤大頭，在報(bào)文ID的分配里，更加沒有發(fā)言權(quán)。 

這個(gè)冤大頭，叫OBD，即診斷單元。 

做過診斷的朋友知道，診斷報(bào)文的ID介于0x700-0x7ff之間，細(xì)心的開發(fā)者還會發(fā)現(xiàn)，通信報(bào)文從來沒有占用過這個(gè)區(qū)間，即信息控制類的報(bào)文優(yōu)先級高于診斷報(bào)文。 

這說明了什么？ 

都說政府機(jī)關(guān)、事業(yè)單位是三分之一在干，三分之一在看，還有三分之一在搗蛋。在CAN總線的世界里，診斷單元屬于在一旁看著的工種，怎能奢望優(yōu)先級較高的ID，來給正常的通信服務(wù)搗蛋呢？

總線負(fù)載率

在CAN總線網(wǎng)絡(luò)里，還有一個(gè)經(jīng)常被大家提起的概念-總線負(fù)載率。 

負(fù)載率，顧名思義，就是指這段時(shí)間內(nèi)總線上實(shí)際傳輸?shù)男畔⒘?/span>/理論上可傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊?/span> 

不知道大家平時(shí)怎么理解一個(gè)“概念”或“定義”，灑家的小竅門是“咬文爵字”和“摳字眼”。 

具體要摳哪些字眼，可以參考老羅的錘子手機(jī)原創(chuàng)、最近被微信抄了去的big bang大爆炸。這個(gè)概念里，有兩個(gè)需要重點(diǎn)理解的點(diǎn)：“這段時(shí)間”、“理論最大信息量”。 

“這段時(shí)間”可長可短，也意味著負(fù)載率是可變的。需要特別關(guān)注的有兩個(gè)：平均負(fù)載率和峰值負(fù)載率。根據(jù)灑家多年的小經(jīng)驗(yàn)，平均負(fù)載率大多低于40-50%，峰值負(fù)載率也不超過70-80%。 

至于說，負(fù)載率超了會怎么樣？ 

也許，針對某個(gè)具體的CAN網(wǎng)絡(luò)，從技術(shù)上來說，把原本30%的平均負(fù)載率提高到50%也沒啥。但是，從“行政”上來說，您這個(gè)提議提高負(fù)載率的技術(shù)人員需要寫報(bào)告，說明白為啥要提，提到50%有沒有什么風(fēng)險(xiǎn)，怎么證明沒有風(fēng)險(xiǎn)，有沒有理論分析，有沒有實(shí)測報(bào)告，有沒有。。。。 

好吧，30%最保險(xiǎn)了~~ 

另一個(gè)，“理論上可以傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊比Q于總線速率。具體來說，低速CAN為125kbps，高速CAN為500kbps，CAN-FD為2Mbps，再往上，Flexray站出來說了“此吾家事，汝不得預(yù)也！”。 

在制定負(fù)載率時(shí)，會牽涉到一個(gè)概念-報(bào)文時(shí)長。灑家不少同事說起報(bào)文時(shí)長來，經(jīng)常不清不楚，模模糊糊。其實(shí)，真正找到關(guān)鍵，問題就很簡單了。 

關(guān)鍵在哪？在計(jì)算公式： 

報(bào)文時(shí)長=位時(shí)長x報(bào)文位數(shù)。 

在這個(gè)公式里，位時(shí)長當(dāng)然等于速率的倒數(shù)，比如125kbps的通信速率，位時(shí)長=8us。而報(bào)文位數(shù)，則取決于CAN報(bào)文的結(jié)構(gòu)。報(bào)文結(jié)構(gòu)如下圖所示：

一個(gè)完整的CAN報(bào)文由七個(gè)不同的Field（場/域/段）組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。 

每個(gè)Field的位數(shù)相加，不就齊了？ 

下面就單獨(dú)就每個(gè)場進(jìn)行分析。 

SOF為幀起始，標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，由一個(gè)單獨(dú)的“顯性”位組成。 

仲裁場包括識別符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）。識別符的長度為11位。 

控制場由6個(gè)位組成，包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個(gè)將來作為擴(kuò)展用的保留位。 

數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0～8 個(gè)字節(jié)。 

CRC場包括CRC序列（CRC SEQUENCE），其后是CRC界定符（CRC DELIMITER）。CRC序列為15位，CRC界定符包含一個(gè)單獨(dú)的“隱性”位 。 

應(yīng)答場長度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。 

幀結(jié)尾由一標(biāo)志序列界定。這個(gè)標(biāo)志序列由7 個(gè)“隱性”位組成。 

所以一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀的位數(shù)為1（幀起始）+ 12（仲裁場）+ 6（控制場）+ 64（數(shù)據(jù)場）+ 16（CRC場）+ 2（應(yīng)答場）+ 7（幀結(jié)尾）= 108位。 

報(bào)文之間存在幀間空間INTERFRAME SPACE。幀間包括間歇場、總線空閑的位場。間歇場包括3 個(gè)“隱性”的位?？偩€空閑的（時(shí)間）長度是任意的。

 所以，一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀至少需要（108+3+1）* bitrate的時(shí)長，對于125kbps，需要0.896ms。

CAN總線的位定時(shí)

對一般的開發(fā)者來說，CAN總線的位定時(shí)概念并不常見。不過，如果給整車廠做過零部件，經(jīng)受過他們的CAN通信測試考驗(yàn)，您可能就知道，這也是比較重要的一個(gè)知識點(diǎn)。 

前文說了，CAN報(bào)文由七個(gè)不同的場/段組成。那么，具體到單個(gè)bit位呢？上一張圖，大家就有概念了。

一個(gè)位，由同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2組成。 

這四個(gè)段的時(shí)間均為基本時(shí)間單位“時(shí)間份額”的若干倍，時(shí)間份額Tq派生于振蕩器周期，可以由振蕩器進(jìn)行分頻。 

由這張圖可以看出，在相位緩沖段1和相位緩沖段2的交接處，藏著一個(gè)“采樣點(diǎn)”，或者說“采樣時(shí)刻”，這也是CAN通信測試中比較重要的一個(gè)測試項(xiàng)。 

下面這張圖，是一個(gè)CAN通信需求規(guī)范中的位定時(shí)要求。

在實(shí)際的編程開發(fā)工作中，需要根據(jù)這個(gè)位定時(shí)規(guī)范，對照MCU中CAN模塊的寄存器特點(diǎn)，對寄存器進(jìn)行針對性設(shè)置。 

比如飛思卡爾微控制器中的MSCAN模塊，其位定時(shí)寄存器如下所示：

在這款CAN控制器中，把CAN的位分成了三段，同步段、段1和段2。跟CAN2.0協(xié)議中定義的“同步段+傳播段+相位緩沖段1+相位緩沖段2”進(jìn)行對比，便可以發(fā)現(xiàn)，MSCAN中的段1即CAN2.0協(xié)議中的“傳播段+相位緩沖段1”。  

如何具體設(shè)置CAN控制器寄存器呢？ 

根據(jù)規(guī)范要求，一個(gè)8us的CAN比特位包含16個(gè)Tq，采樣位置在該bit位75%的時(shí)刻，所以，可以將Time Segment1 設(shè)為 11，Time Segment2 設(shè)為 4，這樣，既能保證包含16個(gè)Tq(1 + Time Segment1 + Time Segment2 = 16)，又可以保證采樣時(shí)刻=(1 + Time Segment1)/16=75%。

寫在最后

CAN總線有著廣泛的應(yīng)用，也有著長久的生命周期。深入思考并鉆研CAN總線的一些小門道，可以幫助您在一些表層的知識之下加深對這門技術(shù)本質(zhì)的認(rèn)識，同時(shí)，在面對一些規(guī)范要求時(shí)，可以做到知其然并知其所以然，何樂而不為？