关于CAN报文中ACK应答错误的检测原理

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查看17 | 回复0 | 2021-8-13 18:26:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
以前曾经有一段时间认真的想过CAN数据报文中的ACK应答机制问题,原以为自己想通了,但前两天又再想想,觉得还是没有想清楚故将其放到论坛上,虽然到如今还没有人来回复,但通过与一些朋友的确认,发现自己犯了一个不小错误,对协议本身的理解产生了错误,以至后来竟无法找到答案,改换过前提后,问题得以解决。下面将此次思考的情况一一列出,以希各位同道中的朋友不要再犯与我相似之低级错误:)
CAN协议里对ACK(应答场)有如下的描述:
应答场长度为2个位,包含应答间隙(ACK SLOT)和应答界定符(ACK DELIMITER)。在应答场里,发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文,接收器就会在应答间隙(ACK SLOT)期间(发送ACK信号)向发送器发送一“显性”的位以示应答。
应答间隙:所有接收到匹配CRC序列(CRC SEQUENCE)的站会在应答间隙(ACK SLOT)期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。
ACK界定符:ACK界定符是ACK场的第二个位,并且是一个必须为“隐性”的位。因此,应答间隙(ACK SLOT)被两个“隐性”的位所包围,也就是CRC界定符(CRC DELIMITER)和ACK界定符(ACK DELIMITER)。
此主题相关图片如下:

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在CAN协议的错误检测部分有这样的描述:
位错误:站单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相符合,则在此位时间里检测到一个位错误(BIT ERROR)。但是在仲裁场(ARBITRATION FIELD)的填充位流期间或ACK间隙(ACK SLOT)发送一“隐性”位的情况是例外的——此时,当监视到一“显性”位时,不会发出位错误(BIT ERROR)。

应答错误:只要在ACK间隙(ACK SLOT)期间所监视的位不为“显性”,则发送器会检测到一个应答错误(ACKNOWLEDGMENT ERROR)。

从协议所描述的内容来看,我们不难得出一个结论:CAN是一种基于广播的通讯方式,为了保证总线上的每一个节点(处于normal mode)都能正确的接收到报文,报文的发送者要求每一个接收节点在报文发送结束前,也就是ACK slot的时间内,作出应答,即要求接收的节点都在这个时间发送一个“显性”位。发送者在发送的同时,会监视总线上的数据,如果与发送的娄据不一致,则表示发送失败或自己失去仲裁,立即停止发送或转入接收模式。如果有一个节点在ACK SLOT的时间内发送“显性”位,则发送者认为此次发送报文成功;如果发送者检测到ACK SLOT为隐性位,则表示没有节点填充ACK SLOT,则发送者会检测到这个隐性位而知道发送失败,此条报文需要重发。所以,当总线上只有一个节点的时候,或是只有一个节点可以收发数据的时候,这个节点是发不出去数据的,因为它所发出的数据帧中的ACK SLOT没有另外一个节点来填充,将永远是隐性位,这个节点会一直重发数据直到发送成功或发送被取消。
(注:一:总线上只有一个节点而且它向外发送了数据。它确实不会收到任何ACK,它会变成“error passive”但是它不会变成BUS off。why?请参考CAN specificaton 2.0-partB-Fault_Confinement--rule3--exception1二:其它检测到CRC错误的节点不会马上发送错误帧,而是在ACK delimiter之后才发送。请参考CAN specificaton 2.0-partB-Error_Signalling)

ACK SLOT只有一个BIT,而接下去的ACK delimiter始终为隐性(我们可认为是1),当数据到达ACK SLOT的时候,所有的节点都会发送显性位(我们可以认为是0),而发送者在ACK这个时间里保持隐性位(即发送者在发送的时候ACK SLOT为1),这时发送者会检测总线上的ACK时间内的信号,如果是0,则表示正确,如果是1,表示有错误。如果当中有某一个节点在ACK SLOT填入隐性位,则总线上同样还是显性位电平,故只要总线上有一个节点正确接收到数据,则ACK SLOT就会被填入显性电平;那么,接收错误的节点如何来告知发送者此次发送不成功呢?这时候就要用到CAN的错误帧,当一个接收者收到错误的数据的时候(怎样判断的),它立即开始发送一个错误帧,则接下去总线上的信号就是这个错误帧,其它的节点和发送者也都会收到这个错误帧,那所有的节点都知道出错了,接收者会丢掉此次消息,而发送者会试图重发此次消息。这才是ACK SLOT真正的含义。

下面我们通过一个实例来看看CAN节点是如何进行ACK SLOT的动作的。我们抓取一个总线上面的信号波形,此波形已经是通过82C251解码过后的。

此主题相关图片如下:
          5520623196681.jpg

抓取的波形,图中的四个通道分别表示两个节点的CANTX和CANRX,其中通道A,B表示NODE 1的CANTX和CANRX,通道C,D表示NODE 2的CANTX和CANRX。将其正对坐标中轴的部分展开,得到如下的图形,由上图我们清楚的看到,NODE 1的CANTX在接收到数据后立即响应,即向外发送数据,当数据发送完毕,到了ACK的时间内,见下图中黄色图标处,NODE 1的CANTX发送两个隐性位,而对于NODE 2,当发送者NODE 1的CANTX到了报文的ACK时间,NODE2也接收完数据,如果CRC校验通过,则NODE2的CANTX会相应的发送显性位,即通道C的红色图标处。如果总线上存在NODE 3和NODE 4或是更多NODE,则波形相同。图中的B和D都是CANRX,所以都有ACK的显性位出现。
此主题相关图片如下:
55206231991557.jpg

我们认为,发送者在发数据的时候,CANTX在发送数据,而CANRX同时也在接收数据,当发送者发送ACK为隐性时,接收到的ACK SLOT一定要是显性才会正确。那么,当有节点正确接收到了数据,在ACK SLOT填上显性位后,接收错误的节点这时候会如何呢?接收错误的节点就会马上发送错误帧,一般是发送连续的6个0或1,根据CAN的位填充原理,当有五个连续的0或1出现时,为了传送中的同步,必须插入一个反相位的BIT作为填充位,如果连续出现6个或以上的相同信号,则此次传送错误,数据将被丢弃。故当发送者收到这个错误帧后,便会知道发送出错,并试图重发数据。

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