CAN總線起始于1986年左右，至今仍廣泛應用?，F(xiàn)在人們對安全的要求已大為提高，所以要不斷仔細審視CAN的安全性能?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重要的CAN問題有：在消極報錯狀態(tài)下可能出現(xiàn)等效離線，使節(jié)點不能收發(fā)的時間相當長[1];錯幀漏檢率的估計不準，特別在誤碼率高時比Bosch CAN2.0數(shù)據(jù)高多個數(shù)量級[2]，在單目的地址時影響數(shù)據(jù)正確性，在多個目的地址時會影響數(shù)據(jù)一致性;標準的振蕩源精度要求偏低[3]，使誤用廉價器件成為可能，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性;本文發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先級倒置的可能性，使調(diào)度分析結果的可信度下降;在數(shù)據(jù)幀倒數(shù)第二位的局部錯可能引起不一致的接收重復或丟失[4]。所以在FlexRay尚未達到預定目標、無論在可靠性還是價格上能取代CAN以前，對CAN作進一步的改進仍然是非常有意義的。
CAN是一種代表性的事件觸發(fā)通信協(xié)議，同時發(fā)生的多個通信請求將按照消息的優(yōu)先級進行無損仲裁，高優(yōu)先級的勝出。按照消息的優(yōu)先級進行無損仲裁是CAN原始專利的唯一權利要求[5]。對于低優(yōu)先級的消息而言，送達時間將受到高優(yōu)先級消息的阻擾，在高優(yōu)先級消息為周期性時，最壞送達時間是可以預先計算出的[6]。如果能安排好發(fā)送消息的初始相位并作寬松的時鐘同步，這個最壞送達時間可以大為減少。事件觸發(fā)協(xié)議的優(yōu)點是總線帶寬可以得到充分利用。另一個優(yōu)點是高優(yōu)先級消息可得到迅速發(fā)送。但是由于工業(yè)環(huán)境中普遍存在的電磁干擾，總線上會有毛刺，CAN總線的標準中已考慮到應對方法?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)毛刺應對方法可能使節(jié)點的同步受到影響，從而損及高優(yōu)先級消息的發(fā)送機會，出現(xiàn)優(yōu)先級的倒置，動搖了CAN總線的基本性能。
1 毛刺的存在
車內(nèi)電磁環(huán)境惡劣， ISO 76372/3總結出代表性的傳導和輻射干擾。有人專門作了輻射干擾的實驗，參考文獻[7]的實驗中用24 V蓄電池給車內(nèi)常用的繼電器供電(CAN系統(tǒng)供電是獨立的)，電源線與CAN電纜靠得很近，在電纜線有屏蔽、線長為2 m時，手動開關繼電器時可以看到CAN波形上疊加的毛刺，輻射干擾實驗結果如圖1所示。
圖1 輻射干擾實驗結果
實際汽車上也見到CAN總線失效的報告[8]：豐田汽車在經(jīng)銷商產(chǎn)品報告中確認，由任何原因召回的車中發(fā)現(xiàn)丟失CAN數(shù)據(jù)的記錄有292宗。毛刺是引起CAN總線出錯的可能原因，其具體誘發(fā)過程需要仔細分析，不能掉以輕心。
2 CAN位時間與消息仲裁原理
CAN總線把位時間劃分為NBT等分的時間片，稱為Tq。CAN總線控制器按Tq對總線上的差分電平進行采樣，以決定內(nèi)部狀態(tài)。當總線上沒有通信時，稱為總線空閑，電平差在0~0.5 V，邏輯值為“1”。電平差為0.9 V以上時邏輯值為“0”。 由圖1可知，存在“0“毛刺，也存在“1“毛刺。CAN總線驅(qū)動器的特性是線與，當“1”和“0”同時發(fā)生時，總線的電平為“0”，這便是仲裁功能。一幀開始發(fā)送的第一位是“0“，稱為SOF，然后是消息的標識符ID。ID代表了消息的優(yōu)先級，每個節(jié)點通過位采樣知道總線上仲裁的結果，正常工作時如果發(fā)送“1”而讀回“0”，表示本發(fā)送節(jié)點本次ID發(fā)送失敗，需等下一次幀發(fā)送機會。
總線空閑時，一個有發(fā)送要求的節(jié)點須先觀察是否有別的節(jié)點已經(jīng)開始發(fā)送，如已開始就不能發(fā)送。正是這里，由一個“0”毛刺開始的時段可以誤解為別的節(jié)點已開始傳送SOF，毛刺阻斷了該節(jié)點的發(fā)送(不管該節(jié)點要傳送的消息優(yōu)先級有多高)。
由于傳送電纜延遲以及中間器件(如光隔離)的延遲τ，節(jié)點將見不到提前量τ以內(nèi)發(fā)送的別的節(jié)點的SOF。同理，別的節(jié)點要經(jīng)過τ以后才見到該節(jié)點發(fā)送的SOF，τ以后別的節(jié)點就因總線上已有發(fā)送而不允許發(fā)送了。這樣，在本節(jié)點請求時刻±τ內(nèi)的發(fā)送被認為是“同時”請求發(fā)送，它們將按ID仲裁。對遲于其τ的其他低優(yōu)先級幀的發(fā)送，它也是必然勝出的。
