科普系列：低速容错CAN的容错机制介绍

作者 |TYT
小编 | 吃不饱

汽车的CAN总线大致可以分为三大类，分别是：单线CAN（GM专用的低速CAN）、高速CAN（通信速率高）以及低速容错CAN（通信速率较低但容错性能好）。本文所要讲述的是低速容错CAN。在传统的分布式架构中，车身舒适CAN节点对总线通信速率没有过高要求，但为了适应车型高中低配的变化，其节点数量和组合及在车中的布置更为多样，这就更多的引入了出现故障的因素，使得低速CAN在车身舒适网段得到了广泛的应用。为了更好的了解低速容错CAN，首先要从它的协议讲起。低速容错CAN最早被定义在ISO11519协议中，后续因为符合11898-3协议标准的样件也完全符合ISO11519-2协议的要求，同时因为11898协议应用的范围更全更广，所以在2006年ISO11519-2协议彻底的被11898-3协议所替代。ISO11898-3定义了低速容错CAN的物理层、低速容错CAN的工作机制以及容错机制的实现。01低速容错CAN的物理层与高速CAN一样，低速容错CAN也使用了差分双绞线进行传输，有CAN_H、CAN_L两线，并且在严格的工业应用场合与高速CAN一样要求使用专用的屏蔽双绞线并加必要的防护电路。

在差分电压的变化上低速容错CAN在显隐性跳转的时候CANH和CANL电压的变化是比高速CAN要大的，这意味着低速容错CAN有着更高的抗干扰性。

11898-3定义了低速容错CAN在隐性状态时，CANH为0V、CANL为5V。而当低速容错CAN要发送显性位时，CANL会跳转到1V、CANH会跳转到4V，这个时候单一条总线的电压变化为4V，而且差分电压大概也为4V(如图1)，而高速CAN的差分电压为2V(如图2)，同时CANH与CANL从隐性跳转到显性的时候电压的变化仅有1V，这也意味着高速容错CAN的容错性能是不如低速容错CAN的。
图1:低速容错CAN总线电压
图2:高速CAN总线电压
在低速容错CAN的物理层中，11898-3还定义了它的终端电阻是直接端接在支线上的，电阻接线如图3所示。这样做的好处是在容错机制处理部分断路故障时，哪怕会出现单线通信的情况，也会有终端电阻的存在去匹配阻抗以及减小反射（如图4所示），这样便不会因为断开CANH或CANL的单线而对样件的通信传输造成影响。
图3:终端电阻接线图
图4:容错CAN单线工作时总线拓扑图

02协议中容错机制的定义
11898-3分别定义了电源故障和总线故障两种类型，而容错机制主要是对总线故障进行处理。为了应对不同的总线故障，11898-3定义了低速容错CAN需要有三种不同的收发器工作方式：差分驱动和接收、CANH单线通信、CANL单线通信，三种工作方式对应的故障检测机制分别为状态0：正常工作状态、状态E1:CAN_L故障检测、状态E2：CAN_H故障检测。11898-3定义的几种故障检测机制的故障处理流程图如下。
图5：故障处理流程图

03TJA1054实现的容错机制
通过之前的介绍，我们对低速容错CAN的物理层有了较为全面的了解，现在我们便从物理环境的实现上来讲解低速容错CAN的容错机制。在这我需要为大家介绍一款适用于低速容错CAN的收发器芯片-TJA1054。首先是这款芯片的物理环境，其结构图和引脚定义如下图所示，TJA1054在CANH及CANL两端的电阻设计满足了ISO11898-3需求，同时TJA1054设计有门槛电压，能较好的实现低速容错CAN所需求的容错机制。
图6：TJA1054芯片结构图
图7：TJA1054芯片引脚定义图

04TJA1054的功能描述
TJA1054是控制器局域网 CAN 中协议控制器和 CAN 物理总线之间的接口，它主要用于客车里最高 125KBps的低速应用，这个器件对 CAN 总线提供差动发送能力，对CAN 控制器提供差动接收能力。在正常操作模式时（没有线路故障），差动接收器在管脚 RXD 输出（见图 1）。差动接收器输入通过集成的滤波器连接到管脚CANH和CANL 波器输入信号也可以用于单线接收器。接收器连接到有门槛电压（差动接收器的门槛电压为-3.2V）的管脚CANH和CANL确保在单线模式里有最大的噪音容限。

同时定时器功能（TxD 显性超时功能）已在器件中集成，它可以防止由于硬件或软件程序故障，将管脚 TXD 持续地拉成低电平，使总线线路进入持续的显性状态（这种状态会阻塞整个网络的通讯）。

如果引脚 TXD 的低电平持续并超过某个时间后，发送器会被禁用，定时器会用 TXD 引脚上的高电平复位。而低速容错CAN的容错机制则是通过故障检测器监测总线电平，在监测到其中一条总线故障后，监测器便会切换到相应的模式，模式图如下表所示。这便满足了ISO11898-3中定义的正常工作模式下的三种故障检测机制。下图便是TJA1054在不同错误状态下的接收器模式列表。
图8：TJA1054在不同错误状态下的接收器模式对于上表中出现的三种接收器模式，我将使用表格的形式为大家进行介绍。首先是差动模式，因为TJA1054设定了差动接收器门槛电压为-3.2V，这确保了当出现下表中故障1、2、5、6a时，虽然CANH和CANL的电压会因为以上四种故障有改变，但最终差分电压Vdiff都能在隐性时小于-3.2V显性时大于-3.2V，所以不需要进行调整便能继续通信。
当出现了下表中故障4、6、7三种故障时，差分模式已无法满足总线的正常通信。TJA1054会断开CANL，则CANL会保持Vcc的电压不变，一直为5V。此时差分电压Vdiff能满足在隐性时小于-3.2V显性时大于-3.2V，实现对故障4、6、7三种故障的容错。
当出现CANH单线通信模式也无法解决的故障时，如下表故障3和3a，TJA1054会先断开CANL尝试用CANH单线通信来保持通信，但故障3和3a在此时的差分电压会一直大于-3.2V，使总线长时间处于显性状态。所以这时TJA1054会尝试保持CANL通信不变，断开CANH。此时CANH上电平始终为0V，差分电压Vdiff在总线为隐性时为-5V（小于-3.2V），显性时为-1.5V（大于-3.2），符合规范规定及使用需求，所以低速容错CAN在发生故障3和故障3a时正常通信。
05总结
当前，低速容错CAN由于其通信速率的限制，其在车载领域的应用更少了，本文所介绍的低速容错CAN的物理层、容错机制以及容错机制在芯片中的实现原理，希望可以加深大家对CAN通信原理的理解。
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