【CAN高階】帶您認(rèn)識ISO11898-4：時間觸發(fā)通訊

　　CAN總線通訊發(fā)展的過程中，為了兼容實(shí)時操作系統(tǒng)，是否也有與之對應(yīng)的實(shí)時通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議呢?

　　ISO11898之前3個部分的解讀提高了對傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的理解，無論是高速CAN還是低速CAN，亦或者是最基礎(chǔ)的物理層定義都進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)總線通訊基本都是事件觸發(fā)的，當(dāng)同時有許多信息需要傳輸時可能會造成總線過載，為了避免這種現(xiàn)象，傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)采用仲裁機(jī)制按信息優(yōu)先級進(jìn)行傳輸。

　　圖 1 新能源汽車CAN總線透視圖

　　顯然，傳統(tǒng)分布式的CAN網(wǎng)絡(luò)如果能用于實(shí)時操作系統(tǒng)(基于時間觸發(fā)調(diào)度而非事件觸發(fā))，對于系統(tǒng)的兼容性和綜合集成性將大有提高，但問題是我們?nèi)绾尾拍軐⒉⒎峭瑯幼駨臅r間調(diào)度的兩者結(jié)合起來呢?

　　一、時間觸發(fā)CAN

　　1、概述

　　時間觸發(fā)CAN是建立在標(biāo)準(zhǔn)CAN上的高層協(xié)議，它會對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通訊進(jìn)行同步調(diào)度，也就是每個節(jié)點(diǎn)在一個固定的時間里發(fā)送信息，這樣就不用再對信息進(jìn)行優(yōu)先級仲裁，由于每個節(jié)點(diǎn)分配到的時間是固定的，所以還可以預(yù)判整個網(wǎng)絡(luò)的延遲時間。

　　2、要實(shí)現(xiàn)這樣的時間觸發(fā)CAN通訊有兩種方式

　　方式一：用于周期信息傳輸;

　　方式二：支持全局系統(tǒng)時間傳輸。

　　3、幾個重要概念

　　基本周期：兩個參照幀之間的時間被稱為一個基本周期，基本周期由數(shù)個時間窗組成;

　　參照幀：開始一個基本周期的數(shù)據(jù)幀，為網(wǎng)絡(luò)提供一個全局時間，其作用就好像格林尼治時間之于世界時間一樣，用以同步所有節(jié)點(diǎn)的時間;

　　時間窗：系統(tǒng)矩陣?yán)餅閭鬏斝畔⒎峙涞臅r間段，包括仲裁時間窗、自由時間窗和專用時間窗，見圖2。

　　圖 2 一個周期內(nèi)的數(shù)個時間窗

　　所謂的時間觸發(fā)就是上面已經(jīng)分配好的的數(shù)據(jù)從左到右按順序發(fā)送，下面介紹一下這三種時間窗

　　專用時間窗(Exclusive Windows)：用來傳輸特殊的周期信息，這些消息不會參與總線競爭，是置身事外的一個記錄員角色;

　　仲裁時間窗(Arbitrating Windows)：CAN節(jié)點(diǎn)在總線不是空閑的時候是不能傳輸消息的，而在時間觸發(fā)CAN的仲裁時間窗里可以安排網(wǎng)路內(nèi)的幾個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送報(bào)文，不過沒有重發(fā)功能;

　　自由時間窗(Free Windows)：保留用作系統(tǒng)擴(kuò)展，可以配置成增加節(jié)點(diǎn)的仲裁時間窗或?qū)Ｓ脮r間窗，相當(dāng)于機(jī)動部隊(duì);

　　圖 3 系統(tǒng)矩陣

　　上圖的系統(tǒng)矩陣有4個基本周期，一個基本周期可由不同類型、長度的時間窗組成，矩陣的縱列也叫做傳輸陣，傳輸陣?yán)锏臅r間窗有相同的長度但是可以擁有不同類型。

　　二、接收和發(fā)送

　　明確完了概念，我們接下來了解時間觸發(fā)CAN是如何接收和發(fā)送信息的。

　　1、信息的發(fā)送

　　2、信息發(fā)送觸發(fā)器

　　在時間觸發(fā)CAN網(wǎng)絡(luò)里，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息由信息發(fā)送觸發(fā)器控制。信息發(fā)送觸發(fā)器會顯示信息是由系統(tǒng)矩陣?yán)锩娴哪膫€時間窗以及怎么來進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

　　所以信息發(fā)送觸發(fā)器有多個功能組，一是信息正確性判斷，二是發(fā)送的時間標(biāo)示，三是判斷傳輸陣?yán)锏陌l(fā)送位置，四是重發(fā)因數(shù)，一個信息發(fā)送觸發(fā)器的觸發(fā)條件滿足時，即使信息的傳輸出錯導(dǎo)致信息失效時它也將立即啟動。

　　圖 4 舉例一個專用信息的發(fā)送觸發(fā)器

　　上圖是一個專用信息D的信息發(fā)送觸發(fā)器，它表述了在系統(tǒng)矩陣?yán)锏谌齻€基本周期的第五個時間窗(專用窗)發(fā)送，周期偏差為0，重發(fā)因素為2。

　　三、信息的接收

　　1、信息接收觸發(fā)器

　　在時間觸發(fā)CAN里，信息的接收是由信息接收觸發(fā)器控制的，信息接收觸發(fā)器的構(gòu)成與上述的信息發(fā)送觸發(fā)器一樣，信息接收觸發(fā)器的時標(biāo)會在信息接受完成后確定時間點(diǎn)。

　　2、參照幀的發(fā)送

　　3、信息接收觸發(fā)器

　　參照幀發(fā)送觸發(fā)器是一個特殊的信息發(fā)送觸發(fā)器，它只存在于備用的時間主節(jié)點(diǎn)里。在嚴(yán)格的時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，只用唯一的一個參照幀發(fā)送觸發(fā)器來確保參照幀的周期發(fā)送，只要時間到了，參照幀就會被發(fā)送。

　　而在事件同步的基本周期系統(tǒng)中會有兩個參照幀發(fā)送觸發(fā)器，其中一個參照幀發(fā)送觸發(fā)器按系統(tǒng)矩陣基本周期定時發(fā)送，另一個作為后備，在事件同步異常時重新發(fā)送參照幀。

　　四、時間主節(jié)點(diǎn)初始化和錯誤處理

　　1、時間主節(jié)點(diǎn)初始化概念

　　雖然正常通訊建立起來時只有一個時間主節(jié)點(diǎn)，但在時間觸發(fā)CAN中備用的時間主節(jié)點(diǎn)可能超過8個。系統(tǒng)啟動時，硬件初始化，所有備用時間主節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級和等待時間可以開始嘗試發(fā)送參照幀。硬件初始化后有高優(yōu)先級的CAN標(biāo)識符的幀同步實(shí)體(數(shù)據(jù)鏈路層和媒體訪問控制層的執(zhí)行單元)可以優(yōu)先傳輸。

　　2、錯誤處理

　　CAN的失效處理遵循ISO 11898-1的規(guī)定，當(dāng)幀同步實(shí)體檢測到調(diào)度表有誤時，會通過CAN的ISO 11898-1協(xié)議來處理。

　　圖 5 錯誤處理