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在嵌入式開發(fā)中，常常聽到一句話“汽車上都用CAN總線，那這個總線的穩(wěn)定性應(yīng)該是有所保障的”，而這種穩(wěn)定性的保障，正是因為CAN總線直面了現(xiàn)場總線的復(fù)雜環(huán)境，做了相應(yīng)的錯誤處理以及故障界定。

工業(yè)現(xiàn)場總線的應(yīng)用環(huán)境，不可避免的會有干擾在傳輸線上，雖然已經(jīng)用差分信號傳遞數(shù)據(jù)，但是因為所有終端都是接到了一個CAN總線上，不可避免又會出現(xiàn)諸如發(fā)送消息碰撞，或者因為某個終端的性能下降等原因，影響整個總線的通信質(zhì)量。CAN總線，定義了類似CSMA/CA來處理消息碰撞的問題，并通過ACK來保證報文發(fā)送成功，并且實現(xiàn)了相關(guān)的錯誤處理以及故障界定策略，來保證總線上的穩(wěn)定通信質(zhì)量。

CSMA/CA指的是可對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行實時偵聽，進行沖突檢測，并實現(xiàn)同一通信線路的多路訪問的一種協(xié)議。

CAN總線上消息傳遞的基本單位為幀，其由不同的位場構(gòu)成。

數(shù)據(jù)幀，由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾7個位場組成。幀的起始位由一位顯性電平組成，下面的示意圖將顯性電平畫為了低電平。

防止碰撞的關(guān)鍵就在于仲裁場，其中包括識別符和遠程發(fā)送請求位（RTR）。CAN控制器能實時的偵測到當前總線的狀態(tài)，當兩個CAN控制器同時發(fā)送報文的時候，CAN控制器會實時監(jiān)測監(jiān)測總線狀態(tài)，當其中一個CAN控制器在仲裁域發(fā)現(xiàn)其發(fā)送的電平本來是隱性位，但是讀上來的確實顯性位的時候，就會發(fā)生仲裁失敗，退出發(fā)送狀態(tài)，轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。所以說，對于總線上的數(shù)據(jù)，識別符部分越小（高位連續(xù)低電平個數(shù)較多）的幀，會搶占識別符高的幀發(fā)送。

ACK位前后都是隱性位，發(fā)送此報文的CAN控制器會嘗試發(fā)送隱性位。如果有其余的CAN控制器能夠通過CRC校驗成功，就會在ACK位將總線置成顯性位。這樣發(fā)送報文的CAN控制器通過讀取的ACK位為顯性位就知道總線上有其余的CAN節(jié)點成功接收到了數(shù)據(jù)。

作為CAN控制器，判斷總線上發(fā)生了錯誤的依據(jù)，跟總線上的幀格式有著莫大的關(guān)系。我們將總線上正在發(fā)送報文的CAN控制器為發(fā)送器，其余的位接收器。

位錯誤：當接入總線的CAN控制器處于發(fā)送的階段（發(fā)送報文已經(jīng)仲裁成功），檢測到總線上的位狀態(tài)與發(fā)送的不相符，則發(fā)生位錯誤（ACK SLOT的隱性位除外）。

填充錯誤：數(shù)據(jù)幀以及遙控幀，均通過位填充的方法編碼。無論何時，發(fā)送器只要檢測到位流里有5 個連續(xù)識別值的位，便自動在位流里插入一補碼位。如果在通過NRZ編碼過的幀部分，出現(xiàn)了連續(xù)相同的位電平，則產(chǎn)生填充錯誤。

CRC錯誤：CRC 序列包括發(fā)送器的CRC 計算結(jié)果。接收器計算CRC 的方法與發(fā)送器相同。如果計算結(jié)果與接收到CRC 序列的結(jié)果不相符，則檢測到一個CRC 錯誤（CRC ERROR）。

形式錯誤：當一個固定形式的位場含有1 個或多個非法位，則檢測到一個形式錯誤（FORM ERROR）。比如說幀結(jié)尾固定為隱性位，卻檢測到了顯性位。

應(yīng)答錯誤：只要在ACK 間隙（ACK SLOT）期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤（ACKNOWLEDGMENT ERROR）。

當總線上的CAN控制器發(fā)生了這些錯誤，將會根據(jù)當前CAN控制器所處的狀態(tài)做出相應(yīng)的操作。

根據(jù)設(shè)備的故障界定結(jié)果，設(shè)備可能會處于三種不同的狀態(tài)：錯誤主動狀態(tài)，錯誤被動狀態(tài)，以及總線關(guān)閉狀態(tài)，三種狀態(tài)表征設(shè)備當前的CAN總線狀況按順序逐漸嚴重?！板e誤主動”的單元可以正常地參與總線通訊并在錯誤被檢測到時發(fā)出主動錯誤標志?！板e誤被動”的單元不允許發(fā)送主動錯誤標志。“錯誤被動”的單元參與總線通訊而且在錯誤被檢測到時只發(fā)出被動錯誤標志。而且，發(fā)送以后，“錯誤被動”單元將在預(yù)設(shè)下一個發(fā)送之前處于等待狀態(tài)。“總線關(guān)閉”的單元不允許在總線上有任何的影響（比如，關(guān)閉輸出驅(qū)動器）。

當CAN控制器檢測到位錯誤，填充錯誤，形式錯誤或者應(yīng)答錯誤，這個CAN控制器會即刻在下一位發(fā)出錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的場組成，第一個場是一根總線上掛載的所有CAN控制器提供的錯誤標志的疊加，第二個場是錯誤界定符。錯誤標志分為兩種，一種是主動錯誤標志，由6個顯性的位組成，由處于錯誤主動狀態(tài)的CAN控制器發(fā)送。而作為處于錯誤被動狀態(tài)的CAN控制器，發(fā)送的錯誤標志稱為被動錯誤標志，由6個隱性位組成，因為發(fā)送的是隱性位，所以當處于被動錯誤的CAN控制器要發(fā)送錯誤幀的時候，只要檢測到6個連續(xù)相同的極性位即算成功發(fā)送錯誤標志。

數(shù)據(jù)幀以及遙控幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場以及CRC 序列，均通過位填充的方法編碼。無論何時，發(fā)送器只要檢測到位流里有5 個連續(xù)相同值的位，便自動在位流里插入一補充反向位。數(shù)據(jù)幀或遠程幀（CRC 界定符、應(yīng)答場和幀結(jié)尾）的剩余位場形式固定，不填充。錯誤幀和過載幀不進行編碼。主動錯誤標志將破壞從幀起始到CRC 界定符的位填充規(guī)則，或者破壞了應(yīng)答場或幀末尾場的固定格式。所以當一個處于錯誤主動狀態(tài)的CAN控制器發(fā)送錯誤幀的時候，會引起所有其余處于錯誤主動狀態(tài)的CAN控制器同時發(fā)送錯誤標志，因此，顯性位疊加導(dǎo)致總線上會出現(xiàn)所有站的錯誤標志疊加到一起，但是因為在總線上出現(xiàn)錯誤幀之前的連續(xù)顯性電平位數(shù)不確定，所以這個總長度最小為6位，最大為12位。

錯誤界定符包括8 個“隱性”的位。錯誤標志傳送了以后，每一站就發(fā)送“隱性”的位并一直監(jiān)視總線直到檢測出一個“隱性”的位為止。然后就開始發(fā)送7 位以上的“隱性”位。

講到這里就順便講一下過載幀。首先數(shù)據(jù)幀（或者遠程幀）與前邊的幀需要“隔離",這通過幀間空間來實現(xiàn)，幀間空間包括間歇場，掛起傳送位場，以及總線空閑位場。間歇場由3個隱性位組成，而緊跟間歇場的掛起傳送位場只有處于錯誤被動狀態(tài)的CAN控制器會需要再連續(xù)監(jiān)測總線3個隱性位，才能轉(zhuǎn)到總線空閑狀態(tài)。在總線空閑的狀態(tài)上，監(jiān)測到顯性位理解為幀起始。過載幀格式跟由主動錯誤標志組成的錯誤幀一樣，區(qū)別就在于其是在間歇場發(fā)出的，由接收器的內(nèi)部條件決定（報文過載）決定的，過載標志的形式破壞了間歇場的固定形式。因此，所有其他的站都檢測到一過載條件并與此同時發(fā)出過載標志。

在每一總線單元里實現(xiàn)兩種計數(shù)以便故障界定：

• 發(fā)送錯誤計數(shù)

• 接收錯誤計數(shù)

這些計數(shù)按照固定的規(guī)則進行改變。接收錯誤增加/減少的方式包括：

1. 作為接收器，檢測到了包括CRC錯誤等的錯誤，接收錯誤計數(shù)器加一（發(fā)送主動錯誤標志或過載標志時，如果發(fā)送器檢測到位錯誤，則發(fā)送錯誤計數(shù)器值加八）。

2. 作為接收器，發(fā)送完錯誤錯誤標志之后如果檢測到顯性位，則接收錯誤計數(shù)器加八，而后如果還能連續(xù)檢測到8位顯性位，持續(xù)加八。

3. 如果接收計數(shù)器錯誤數(shù)值介于1和127之間，在成功接收到報文之后（直到應(yīng)答間隙接收沒有錯誤，及成功地發(fā)送了ACK 位），接收錯誤計數(shù)器值減1；如果大于127，則它會設(shè)置一個介于119 到127 之間值。如果接收錯誤計數(shù)器值是0，則它保持0。

發(fā)送錯誤計數(shù)器增加/減少的方式包括：

1. 當發(fā)送器發(fā)送錯誤標志（檢測到錯誤，或者接收器發(fā)送錯誤標志導(dǎo)致填充錯誤），發(fā)送錯誤計數(shù)器值加八。但是有兩個例外，一個是發(fā)送器為錯誤被動，檢測到的是應(yīng)答錯誤，并且發(fā)送被動錯誤標志的時候檢測不到一個錯誤，這個時候發(fā)送錯誤計數(shù)器不加八。另一種例外是發(fā)送器因為填充錯誤而發(fā)送錯誤標志（注：此填充錯誤發(fā)生于仲裁期間。引起填充錯誤是由于：填充位位于RTR 位之前，并已作為“隱性”發(fā)送，但是卻被監(jiān)視為“顯性”），發(fā)送錯誤計數(shù)器同樣不自增。

2. 在發(fā)送器發(fā)送主動錯誤標志或者過載標志的時候，如果發(fā)送器檢測到位錯誤，則發(fā)送錯誤計數(shù)器值加8。在發(fā)送主動錯誤標志、被動錯誤標志或過載標志以后，每多檢測到8位顯性位，則發(fā)送錯誤計數(shù)器值持續(xù)加8。

3. 報文成功傳送后（得到ACK 及直到幀末尾結(jié)束沒有錯誤），發(fā)送錯誤計數(shù)器值減1，除非已經(jīng)是0。

CAN控制根據(jù)這個計數(shù)器切換錯誤主動狀態(tài)，錯誤被動狀態(tài)，以及總線關(guān)閉這三種狀態(tài)，具體的切換關(guān)系圖如下。

這里多說一句題外話，BOSCH的原廠是描述的在總線監(jiān)視到128 次出現(xiàn)11 個連續(xù)“隱性”位之后，“總線關(guān)閉”的節(jié)點可以變成“錯誤主動”不再是“總線關(guān)閉”），它的錯誤計數(shù)值也被設(shè)置為0。而這個功能在STM公司的芯片的CAN控制器實現(xiàn)上需要配置寄存器使能這個功能。

BOSCH的原廠的協(xié)議說明有兩條很重要注意。

1. 一個大約大于96 的錯誤計數(shù)值顯示總線被嚴重干擾。最好能夠預(yù)先采取措施測試這個條件。

2. 當節(jié)點啟動之后，總線上只有1 個節(jié)點在線，以及如果這個節(jié)點發(fā)送一些報文，則將不會有應(yīng)答，并檢測到錯誤和重復(fù)報文。由此，節(jié)點會變?yōu)椤板e誤被動”，而不是“總線關(guān)閉”。

來源：CSDN@「十六宿舍」

https://blog.csdn.net/geek_liyang/article/details/80018325