如何實(shí)現(xiàn)可靠的CAN長(zhǎng)字節(jié)通訊？

CAN總線從上個(gè)世紀(jì)80年代開始，逐漸在汽車電子、軌道交通、醫(yī)療電子、工程機(jī)械等廣泛的工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用。這個(gè)“古老”的總線，最讓人“不爽”的地方，就是一幀只能傳輸八字節(jié)數(shù)據(jù)，如果要一次傳輸更長(zhǎng)字節(jié)，需要分幀，而選擇一種可靠的分幀方法就是使用者一定要注意的。

CAN總線作為汽車電子而生的總線，提出了“優(yōu)先級(jí)自動(dòng)仲裁”和“短幀快速傳輸”的控制概念，為了達(dá)到“高實(shí)時(shí)性”的快速控制目標(biāo)。使用一幀八字節(jié)的通訊單元具有了一系列的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：

一、CAN通訊的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)

(1)8個(gè)字節(jié)正好是8個(gè)字節(jié)、4個(gè)16位、2個(gè)32位、1個(gè)64位的變量的存放“容器”。那么用戶只要在ID中存放“寄存器地址”，然后通過(guò)1幀來(lái)“讀取”或者“修改”，對(duì)應(yīng)的“數(shù)值”，這樣比較方便;

(2)短幀提高總線共享速度。任何一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，在發(fā)送一幀后，需要重新和其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)總線，這樣只要用戶設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌l(fā)送間隔，就可以保證所有的點(diǎn)“共享”總線，提高總線利用率，也保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送周期大致保證一致。

缺點(diǎn)

(1)長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)負(fù)載偏低。在多幀發(fā)送時(shí)，由于每幀發(fā)送都要發(fā)送CANID，所以實(shí)際的CAN數(shù)據(jù)所占的比例就很低了，以CAN擴(kuò)展幀為例，其29位ID和64位的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)承載只能達(dá)到60%。所以在長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CAN甚至比不上同樣波特率下的RS485/Modbus;

(2)長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸分幀丟幀，會(huì)導(dǎo)致整包傳輸失敗。當(dāng)需要一次傳輸超過(guò)8字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，需要分多幀傳輸，如果其中一幀“丟失”，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)送包的無(wú)效。這就要求接收節(jié)點(diǎn)對(duì)每一個(gè)分幀進(jìn)行確認(rèn)，以保證每一個(gè)分幀的到達(dá)，而這么做就會(huì)大大降低效率;

(3)長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)同步性差。比如要同時(shí)輸出動(dòng)作超過(guò)8字節(jié)的控制命令時(shí)，由于每個(gè)幀到達(dá)有先后，先到的先動(dòng)作，后到的后動(dòng)作，就會(huì)引起輸出的不同步性。

可見CAN總線在當(dāng)前的主流應(yīng)用中，主要矛盾集中在其8字節(jié)短幀的長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸上。因此世界廣大科技工作者制定出一系列的改進(jìn)和改革方法來(lái)解決這些缺點(diǎn)。

二、可靠CAN長(zhǎng)數(shù)據(jù)通訊：

升級(jí)為CANFD協(xié)議提高數(shù)據(jù)負(fù)載率

幾年前，梅賽德斯奔馳的工程師們對(duì)CAN總線的制定單位CiA(CAN in Automatic)協(xié)會(huì)提出，奔馳已經(jīng)將CAN用盡了。因?yàn)楸捡Y的工程師們通過(guò)不斷優(yōu)化通訊機(jī)制，已經(jīng)將奔馳的CAN總線利用率提高到90%以上，已經(jīng)無(wú)帶寬可用，只能通過(guò)網(wǎng)關(guān)不斷增加新的CAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)通道。這樣導(dǎo)致整車的總線區(qū)域越來(lái)越多。

車載以太網(wǎng)雖然可以解決數(shù)據(jù)量的問(wèn)題，但其布線改變過(guò)大，成本上升過(guò)多，只適合于網(wǎng)關(guān)之間的通訊。所以CiA協(xié)議就聯(lián)合各大車廠，制定出新一代的CANFD協(xié)議，以快速升級(jí)現(xiàn)有的CAN2.0B。其主要的內(nèi)容就是將一幀的數(shù)據(jù)段由8字節(jié)提升到64字節(jié)，同時(shí)可以提升數(shù)據(jù)段的波特率，以縮短通訊時(shí)間。如圖1所示。

圖 1 CANFD報(bào)文提升數(shù)據(jù)負(fù)載率

這樣，不需要每8字節(jié)就要發(fā)一次CANID，即使不提升波特率，也提升了8倍的數(shù)據(jù)負(fù)載率。如果提升了8倍波特率，則可以達(dá)到64倍的數(shù)據(jù)負(fù)載率，相當(dāng)于擴(kuò)充了64倍帶寬。其提升效果非常明顯。

采用可靠的分幀協(xié)議

成熟的應(yīng)用層協(xié)議都有可靠的分幀協(xié)議，比如CANopen，DeviceNET，J1939協(xié)議等，總的方針都是“握手”“傳輸”“確認(rèn)”“結(jié)束”這四個(gè)過(guò)程循環(huán)。這里只介紹CANopen協(xié)議中的SDO多幀傳輸。

發(fā)送方(客戶端)發(fā)送的報(bào)文CAN-ID為600h+Node-ID，接收方(服務(wù)器)成功接收后，回應(yīng)CAN-ID為580h+Node-ID的報(bào)文。下載協(xié)議download protoco如圖2所示。

圖2 普通SDO下載協(xié)議

上傳協(xié)議upload protoco如圖3所示。

圖 3普通SDO上傳協(xié)議

采用同步傳輸協(xié)議

同步傳輸，解決的就是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步傳輸，如圖4所示，就像閱兵分列式上的方陣，所有士兵邁著整齊的步伐行進(jìn)。這里以CANopen的同步報(bào)文為例講解。

圖4同步協(xié)議與閱兵分列式

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以同步報(bào)文作為PDO(過(guò)程數(shù)據(jù)的)觸發(fā)參數(shù)，為了保證時(shí)間準(zhǔn)確性，該同步報(bào)文的COB-ID 具有比較高的優(yōu)先級(jí)以及最短的傳輸時(shí)間。 CANopen選用80h作為同步報(bào)文的CAN-ID，如圖5所示。

圖5 同步報(bào)文

一般同步報(bào)文由NMT(網(wǎng)絡(luò)管理)主機(jī)發(fā)出，CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)為0字節(jié)。但如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有2個(gè)同步機(jī)制，就需要設(shè)置不同的同步節(jié)拍，比如某些節(jié)點(diǎn)按1個(gè)同步幀發(fā)送1次PDO，其他的節(jié)點(diǎn)收到2個(gè)同步幀才發(fā)送1此PDO，

在同步協(xié)議中，有2個(gè)約束條件：

同步窗口時(shí)間：索引1007h約束了同步幀發(fā)送后，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送PDO的時(shí)效，即在這個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)送的PDO才有效，超過(guò)時(shí)間的PDO將被丟棄，當(dāng)同步窗口結(jié)束后，開始同時(shí)執(zhí)行動(dòng)作。

通訊循環(huán)周期：索引1006h規(guī)定了同步幀的循環(huán)周期，就是同步包發(fā)送的周期。

CAN總線在諸多愛好者的推動(dòng)下，不斷改進(jìn)和改革自身，讓這個(gè)古老的總線煥發(fā)出勃勃生機(jī)。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，作為CAN總線在國(guó)內(nèi)的重要推廣者，CANScope總線綜合分析儀已免費(fèi)標(biāo)配CANPRO軟件，可以解析主流的CANOpen,DeviceNet,J1939協(xié)議。