信息的傳遞,古往今來都是人類無比關注的一個問題。從最原始的肢體語言到高端的電子信號,信息傳達的方法五花八門。而對于信息安全的追求也是從古至今未有變過,我國西周時期的《太公兵法》就有過“陰符”“陰書”的設計來保證信息的安全。
圖1 讓人心憂的信息安全
而在我們的工業生產中,為了保證信號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協議是一種常見的減少出錯率的方案。那么,問題來了,CAN協議何德何能能讓傳輸的信號不出錯呢?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的報文如下:
圖2 CANScope總線綜合分析儀抓取的報文
從圖中可以看出CAN協議采取了差分信號傳輸的方式,可以有效杜絕來自外部的屏蔽干擾。而在最后一行的協議解析部分,經過觀察我們發現一幀信號被分割成了不同顏色的一段段,每一段究竟是何含義?保證信號正確傳輸的秘密就隱藏在這些段落里。讓我們來庖丁解牛分別為大家分析下。
數據頭:在數據的開始,是一個1位的數據頭,表示數據幀都開始。
圖3 數據頭
仲裁段:標志了本幀數據的優先級,其中包含了一個ID碼,仲裁段中的ID碼值越小,幀數據的優先級就越高,CAN控制器在發送數據的同時會監聽電纜上的電平狀態,如果發現仲裁位的電平與本節點發出的電平不一致,則退出發送放棄總線使用權。這樣的設計可以提高總線的利用率,并且能讓重要的信息優先發送。
圖4 仲裁段
控制段:共六位,用于表示數據長度。在數據的控制段存有保留位以供未來協議規則擴展。
圖5 控制段
數據段:經過前面的鋪墊,數據段所編碼的即是本幀數據所需要傳達的信息。一幀信號可以傳送0～8位數據,每字節8位。短小精悍保證信息的實時性。
圖6 數據段
CRC段:CRC段即是保證數據準確的一個關鍵所在。為防止信號由于某種原因被更改,CAN的數據鏈路層上加入了CRC校驗。發送節點會根據發送內容計算得到一個CRC值填入CRC段進行發送,而相應的接收節點也會對接收到的數據進行計算,并將計算出的CRC值和接收到的進行比對。能夠對得上暗號的才是自己人,如果對照有誤那么就說明傳輸的信號出現了問題,需要反饋錯誤消息。這樣的機制保證了CAN不會收到錯誤的信息,其安全性毋庸置疑。
圖7 CRC段
ACK段:用于表征信號是否被正確接收,接受正常的節點在ACK的第一位會發出一個顯性位。根據ACK的狀態,發送節點就可以了解到數據是否被傳輸成功。若發送失敗,發送節點會根據自身狀態來決定是否重傳。
圖8 ACK段
幀結束:由7個隱性位組成,表示該幀結束。
圖9 幀結束
經過這樣一番抽絲剝繭的分析,CAN的報文結構就這樣清晰的展現在我們面前。由于CRC 段的存在,CAN出錯的概率十分之小。
CRC校驗所使用的CRC多項式最多可以檢測出5個離散錯誤,或發現長度在15位以下偶然出現的突發錯誤。CRC校驗對SOF位、仲裁段、控制段和數據段的位序列進行計算,但不考慮填充位。CAN協議中規定的15位校驗序列源自于BCH代碼,它是一種特別適用于127位以下消息長度的循環代碼。CAN協議中所應用的15位多項式如下:
在發送或接收收到數據場的最后一位后,CRC寄存器就會包含待傳輸或者待接收的CRC序列。將計算出的CRC序列與接收到的CRC序列相除,接收器就可以識別出可能存在的CRC錯誤。
有些工程師擔心CAN 收到錯誤的信息,在數據中又做了CRC校驗的工作,豈不知在數據鏈路層CAN已經自備了CRC校驗的工作,在數據中再加入CRC校驗實際上是沒有什么必要的。
CAN總線不但規定了物理層的差分傳輸規范,還規定了數據鏈路層的分包校驗規則,而這兩個都是由硬件自動完成,接收時,無需考慮是否有錯誤,只要從緩沖區取出數據即可,CAN的CRC校驗可以保證錯誤率在10的-9次方以下,毫無疑問是一種非常安全可靠的傳輸協議。
CAN總線在信號的實時傳輸方面具有非常好的優越性,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標定。致遠電子憑借自身掌握的核心技術可為用戶解決工業現場的各種疑難問題,期待與您一同成長。
