CAN 總線報文接收準確率的優(yōu)化設計

吳同曄，劉石，馮進良，黃偉

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

現(xiàn)場總線是由電氣行業(yè)發(fā)展而來的一種數(shù)據(jù)總線，目前常用的汽車總線技術主要有FlexRay、MOST、CAN 和LIN，而 其 中CAN（Controller Area Network）總線更是應用十分廣泛。CAN 總線作為唯一一個被ISO（國際標準化）組織認證的總線，有多主方式同時操作、取消了對節(jié)點地址和通信模塊的編碼等優(yōu)秀性能。但CAN 總線同樣包含著許多缺點，如傳統(tǒng)CAN 總線以單片機STM32 為主，但STM32 已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在高速率通信、高穩(wěn)定性的需求[1]，并且由于取消了對節(jié)點地址和通信模塊的編碼，導致CAN 總線在發(fā)出報文后可能會被多個節(jié)點甚至全部節(jié)點接收，造成多次播報或錯誤播報，增加了接收報文的錯誤率。因此迫切需要一種高速率通信、高穩(wěn)定性、提高報文接收準確率的新型的CAN 總線。

近年來，越來越多的學者投入到研究新型CAN 總線的設計中。例如，時旭等人[2]提出了一種基于FPGA 的CAN 總線通信系統(tǒng)的設計，將FPGA 芯片替換掉傳統(tǒng)的單片機STM32 芯片，提升了通信速度和穩(wěn)定性，但未提出提高報文接收準確率的方法，并且占用FPGA 內(nèi)部資源過多；紀振平等人[3]提出一種新型的基于FPGA 的CAN 總線控制器設計，將傳統(tǒng)CAN 總線中的組合邏輯設計改為時序邏輯設計，減少了FPGA 內(nèi)部資源的占用，但仍未提出如何解決CAN 總線報文接收錯誤率過高的問題。

針對報文接收錯誤率高這一問題，本文設計了一個報文接收模塊，可以更準確、更有效率地傳輸數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點發(fā)送報文時，首先被CAN總線接收，然后寫入緩存區(qū)中。當狀態(tài)寄存器檢查完畢、緩存區(qū)釋放時[4]，按照指令向緩存區(qū)讀取報文。如果發(fā)送報文的節(jié)點需要指定節(jié)點進行接收，則報文接收模塊不工作；如果發(fā)送報文的節(jié)點向任意節(jié)點發(fā)送報文時，報文接收模塊會任選三個節(jié)點，當這三個節(jié)點其中的任意一個接收到發(fā)出的報文，那么報文接收模塊中的D觸發(fā)器就會向狀態(tài)寄存器發(fā)送已接收信號，使狀態(tài)寄存器ALE 的狀態(tài)鎖存，緩存區(qū)關閉，之后不會再向其他節(jié)點發(fā)送已被接收的報文；反之如果三個節(jié)點沒有接收，就向狀態(tài)寄存器發(fā)送未接收信號，緩存區(qū)繼續(xù)處于釋放狀態(tài)，重新選擇三個節(jié)點接收報文，直到此報文被接收。與傳統(tǒng)的CAN 總線接收報文相比，本設計具有準確率更高、減少重復接收報文的次數(shù)、減少資源浪費、專用性與集成度更高等特點。

1 報文發(fā)送和接收模塊的原理

1.1 報文種類以及仲裁機制

CAN 總線之所以應用如此廣泛，最大特點之一就是取消了對通信模塊和節(jié)點地址進行編碼，因此CAN 總線的節(jié)點可以有無數(shù)個，這也讓CAN 總線擁有非常高的靈活性以及可操作性[5]。CAN 總線以報文的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，這些報文通常定義為具有特定格式的數(shù)據(jù)流，他們的格式可以不相同[6]，但是有一定的限制。CAN 總線的報文傳輸種類有：過載幀、錯誤幀、遠程幀、幀間隔以及數(shù)據(jù)幀。其中數(shù)據(jù)幀是最常見的報文種類。

（1）數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的幀。

（2）遠程幀：用于發(fā)送節(jié)點向具有相同ID 的接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的幀。

（3）錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其他節(jié)點通知錯誤的幀。

（4）過載幀：用于通知尚未做好接收數(shù)據(jù)準備的幀。

（5）幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遠程幀與之前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分隔開的幀。

圖1 為最常見的數(shù)據(jù)幀內(nèi)部結構。

圖1 最常見的數(shù)據(jù)幀內(nèi)部結構

如果總線處于閑置狀態(tài)[7]，那么系統(tǒng)內(nèi)多個節(jié)點的發(fā)送和接收工作就可以正常進行。但如果總線上的多個節(jié)點同時發(fā)送報文，則優(yōu)先級標識符較高的報文單元可以首先發(fā)送報文。在CAN 總線的報文當中，二進制數(shù)值的高低決定了標識符傳送的優(yōu)先級，數(shù)值越小，則優(yōu)先級越高。在解決總線上數(shù)據(jù)發(fā)送沖突問題時，采取的是非破壞性仲裁技術。當報文的發(fā)送過程出現(xiàn)沖突時，在不影響其他模塊工作的前提下[8]，逐一進行標識符優(yōu)先級的確定。具有最低值標識符的報文指定為優(yōu)先級最高。即有多個節(jié)點同時發(fā)出報文時，優(yōu)先級高的節(jié)點獲得仲裁資格，并繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的節(jié)點仲裁失敗放棄發(fā)送，先進行報文的接收工作。這種仲裁機制會顯著提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，節(jié)約仲裁時間。

1.2 發(fā)送和接收報文流程

在發(fā)送報文的時候，第一步首先要判斷緩存區(qū)（ALE）是否處于鎖定狀態(tài)[9]。當ALE 處于低電平時，即為鎖存狀態(tài)，此時的數(shù)據(jù)處于待命狀態(tài)，無法被接收。當緩存區(qū)釋放時，數(shù)據(jù)會以特定的格式發(fā)送到緩存區(qū)。發(fā)送報文流程圖如圖2 所示。

圖2 發(fā)送報文流程圖

接收報文的過程同樣需要判斷緩存區(qū)的狀態(tài)，這是與發(fā)送過程一致的步驟。但接收的流程除了對報文進行接收之外還要進行其他情況的處理。接收流程比發(fā)送流程要復雜一些，因為在處理接收報文的過程中，同時要對諸如總線關閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。只有在總線正常，沒有錯誤報警，并且接收緩沖區(qū)中有新報文，才開始進行數(shù)據(jù)接收工作。對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后關閉CAN 接收緩沖區(qū)。如圖3 為接收報文流程圖。

圖3 接收報文流程圖

2 整體結構與報文接收模塊設計

本文采用“自上而下”的設計方法[10]，將CAN總線劃分為三個主要模塊：寄存器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及位時序邏輯模塊。寄存器模塊的主要功能是存儲數(shù)據(jù)，比如CAN 總線控制器的命令、狀態(tài)、中斷等信息，同時與數(shù)據(jù)處理模塊和位時序邏輯模塊之間保持著數(shù)據(jù)傳輸以及交流，保證信息的實時性；位時序邏輯模塊主要是實現(xiàn)CAN 總線對位同步的控制，負責監(jiān)視串行CAN 總線輸入，并處理與總線有關的時序問題；數(shù)據(jù)處理模塊是一個控制數(shù)據(jù)流的序列發(fā)生器，與另兩個模塊相比更關鍵也更復雜，是三個模塊中最主要的部分。三個子模塊互相之間協(xié)調(diào)搭配，共同構成CAN 總線。本文主要從數(shù)據(jù)處理模塊展開，數(shù)據(jù)處理模塊又劃分為六個子模塊，如圖4 所示為CAN 總線的控制器結構。

圖4 CAN 總線的控制器結構

數(shù)據(jù)處理模塊在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r還執(zhí)行仲裁、位填充、驗收濾波、出錯檢測和錯誤處理等功能。根據(jù)其功能，數(shù)據(jù)處理模塊又可以劃分為以下六個模塊：驗收濾波、接收模塊、發(fā)送模塊、錯誤管理、FIFO（First Input First Output）和CRC 校驗。各個模塊之間相互配合共同組成數(shù)據(jù)處理模塊。如圖5 所示為數(shù)據(jù)模塊處理的功能結構。

圖5 數(shù)據(jù)模塊處理的功能結構

數(shù)據(jù)處理模塊的主要特點之一就是采用多主方式工作。由于CAN 總線取消了對節(jié)點地址和通信模塊的編碼，從而任意一個節(jié)點都可以隨時向總線上的其他節(jié)點發(fā)送信息，所以很容易提高競爭冒險的風險，這也導致一個報文可以被多個節(jié)點接收或者全部節(jié)點接收，本文基于這個缺陷設計了一個報文的接收模塊，當緩存區(qū)中的報文被其他節(jié)點讀取時，按照條件選擇三個節(jié)點：如果發(fā)送報文的節(jié)點所發(fā)出的報文需要被指定節(jié)點接收，則報文接收模塊不工作，處于復位狀態(tài)；如果發(fā)送報文的節(jié)點對接收報文的節(jié)點沒有指令，則報文接收模塊會任選三個節(jié)點，分別定義為寄存器node_1、寄存器node_2、寄存器node_3，如圖6 所示為報文接收模塊設計原理圖。

圖6 報文接收模塊設計原理圖

首先需要判斷狀態(tài)寄存器是否處于鎖存狀態(tài)，SJA1000 的狀態(tài)寄存器為ALE，當ALE 為低電平時[11]，狀態(tài)寄存器鎖存，緩存區(qū)處于關閉狀態(tài)；當ALE 為高電平時，緩存區(qū)釋放。節(jié)點在讀取狀態(tài)寄存器的報文時，ALE 需要處于高電平狀態(tài)，也就是使能端處于高電平。此時其他節(jié)點可以在緩存區(qū)中讀取到報文。

定義三個寄存器作為節(jié)點并設置高電平有效，將復位信號sys_rst_n 設置為高電平有效，同時設計一個D觸發(fā)器作為控制信號，當D觸發(fā)器flag 信號為低電平時，輸出信號有效。如果此時發(fā)送報文的節(jié)點指定某個或多個節(jié)點接收，則整個模塊的狀態(tài)表現(xiàn)為復位信號sys_rst_n 低電平，即處于復位狀態(tài)，報文接收模塊不工作；而當寄存器狀態(tài)顯示為高電平時，表明已經(jīng)接收了這個報文。三個寄存器通過或門連接，之間有任意一個為高電平，則D觸發(fā)器輸出為低電平，即flag 信號顯示為低電平；如果三個寄存器沒有任何一個接收，則D觸發(fā)器為高電平，即flag信號顯示為高電平。當報文被三個節(jié)點中的任意一個接收時，flag 就會向狀態(tài)寄存器發(fā)送關閉釋放信號，使狀態(tài)寄存器ALE 鎖存處于低電平；當三個節(jié)點都沒接收時，flag 會向狀態(tài)寄存器發(fā)送繼續(xù)釋放信號，重新選擇三個節(jié)點進行接收報文的工作。

3 測試結果與比較

3.1 CAN 總線通信的功能驗證

信號傳輸原理：

（1）發(fā)送過程：CAN 控制器將CPU 發(fā)送來的報文轉換為邏輯電平（包括邏輯0 顯性電平和邏輯1 隱形電平），通過TX 腳傳遞給CAN 收發(fā)器。CAN 收發(fā)器接收邏輯電平之后，再將其轉換為差分電平傳送到CAN 總線上。

（2）接 收 過 程：CAN 收 發(fā) 器 將CAN_H 和CAN_L 線[12]上傳來的差分電平轉換為邏輯電平傳送回CAN 控制器的RX 腳，CAN 控制器再把該邏輯電平轉化為相應報文發(fā)送到CPU 上。

加入報文接收模塊后，CAN 總線能否正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對整體CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸是否造成影響，需要進行測試[13]。本文采用軟件canutils 對后續(xù)CAN 總線進行測試。canutils 包內(nèi)含5 個獨立的程序：cansend、candump、canconfig、canecho、cansequence。

cansend：往指定的CAN 總線接口發(fā)送指定的數(shù)據(jù)。

candump：從CAN 總線接口接收數(shù)據(jù)并以十六進制形式打印到標準輸出，也可以輸出到指定文件。

canconfig：用于配置CAN 總線接口的參數(shù)，主要是波特率和模式。

canecho：把從CAN 總線接口接收到的所有數(shù)據(jù)重新發(fā)送到CAN 總線接口。

cansequence：往指定的CAN 總線接口自動重復遞增數(shù)字，也可以指定接收模式并校驗檢查接收的遞增數(shù)字。

首先設置模式為停止，然后設置再啟動。一般系統(tǒng)起來后都需要先配置canutils，后續(xù)幾個程序才能正常使用，如圖7 所示為配置canutils。

圖7 配置canutils

打開兩個終端，一個進行CAN0 設備的發(fā)送，一個進行CAN1 設備的接收。在CAN1 終端命令行輸入candump can1，意義是CAN1 設備開始進行接收，進程為阻塞型，CAN1 設備將會一直接收發(fā)來的CAN0 消息直到用戶終止，圖8 所示為CAN1 設備開始接收。

圖8 CAN1 設備開始接收

在CAN0 發(fā)送終端中進行數(shù)據(jù)發(fā)送，使用cansend 命令，其格式為cansend <設備號> <要發(fā)送的消息>。而發(fā)送的數(shù)據(jù)只能發(fā)送16 進制，并且每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為8 個字節(jié)。任選ID 為123的CAN 標準幀進行發(fā)送測試，波特率為1 M，內(nèi)容為11 22 33 44 55 66 77 88。如果數(shù)據(jù)傳輸無誤，則會在CAN1 接收終端接收到發(fā)送端發(fā)出的標準數(shù)據(jù)幀。

結果表明，加入報文接收模塊后的設計可以正常地進行發(fā)送接收信號，并且發(fā)送和接收之間并未發(fā)生錯誤，驗證了此模塊設計通信的可行性。圖9 為CAN0 設備發(fā)送數(shù)據(jù)進行測試，圖10 為CAN1 設備接收數(shù)據(jù)成功。

圖9 CAN0 設備發(fā)送數(shù)據(jù)進行測試

圖10 CAN1 設備接收數(shù)據(jù)成功

3.2 報文接收模塊的驗證與資源占用

本文采用FPGA 所用經(jīng)典軟件vivado 來進行仿真驗證。將報文接收模塊視為頂層文件，寫入top 模塊中，并寫好與之相對應的仿真文件。Run simulation 通過之后，觀察波形數(shù)據(jù)，如圖11所示為vivado 驗證數(shù)據(jù)的波形圖。

驗證一下模塊的可行性。先給三個寄存器低電平處于復位狀態(tài)，即延遲20 ns，寄存器node_1、寄存器node_2、寄存器node_3 均處于低電平狀態(tài)，D觸發(fā)器flag 信號處于高電平狀態(tài)，此時三個寄存器都處于未接收的狀態(tài)，等待信號的傳輸。

若延遲40 ns，給了一個輸入信號，在時鐘信號的作用下傳入進寄存器中被node_1 接收，寄存器node_1 處于高電平狀態(tài)，寄存器node_2、寄存器node_3 均處于低電平狀態(tài)，則flag 信號此時處于低電平狀態(tài)，狀態(tài)寄存器ALE 拉低，處于鎖存狀態(tài)，等待下一信號的到來。

再延遲40 ns，此時結束上一個狀態(tài)，將節(jié)點node_1 重新拉低，可以看到D觸發(fā)器flag 隨之拉高，重新回到復位的狀態(tài)。

仿真驗證通過之后，檢查一下報文接收模塊的資源占用情況。具體占用資源包括：查找表、寄存器、F7 選擇器。從總體看報文接收模塊在FPGA 消耗的資源都不是很高，說明該模塊資源占用率低。FPGA 資源占用結果如表1 所示。

由表1 可見，報文接收模塊查找表占用兩個，僅占CAN 總線的0.527 7%，報文接收模塊的寄存器占用4 個，僅占CAN 總線的0.570 6%，所以加入報文接收模塊并不會影響整體CAN 總線的資源利用。

3.3 報文接收成功率對比結果

均發(fā)送10 000 組報文，將加入報文接收模塊前后的成功率進行對比，成功率對比結果如表2所示。

表2 成功率對比結果

由表2 可見，發(fā)送10 000 組報文時，加入報文接收模塊之后的成功組數(shù)比加入之前多900組，成功率比加入模塊前要高9%，成功率從90%提升到99%，多次播報從479 組降到34 組，降低了92.89%，錯誤播報從522 組降到66 組，降低了87.36%，驗證了報文接收模塊的可行性。

4 結論

本文對基于FPGA 的CAN 總線控制器，通過在數(shù)據(jù)處理中加入一段報文接收模塊的代碼進行設計。本設計的優(yōu)點在于，相對于所有節(jié)點都可以接收，選擇三個節(jié)點能大大減少資源的利用與消耗，節(jié)省成本。綜合數(shù)據(jù)結果，CAN 總線報文多播或錯播的問題得到了解決。加入這部分針對報文接收的模塊后，雖然會增加查找表0.527 7%的占用和寄存器0.570 6%的占用，但加入此模塊后會提高9%的報文接收準確率，同時降低了92.89%的多次播報率和87.36%的錯誤播報率，驗證設計可行。