在當(dāng)今的汽車電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線的應(yīng)用極為廣泛。由于總線常常部署在電磁環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)眾多的場景中，如汽車內(nèi)部和工業(yè)自動化生產(chǎn)線等，錯誤的發(fā)生難以避免。因此，確保 CAN 總線通信的可靠性和魯棒性就顯得至關(guān)重要。CAN 協(xié)議定義了一套完善的錯誤檢測、通知和故障界定機(jī)制，使系統(tǒng)能夠在錯誤發(fā)生時進(jìn)行有效處理，并在必要時隔離故障節(jié)點(diǎn)，保障總線的整體可用性。接下來，我們將詳細(xì)解析 CAN 總線的錯誤處理機(jī)制。
CAN 協(xié)議本身內(nèi)置了多種錯誤檢測機(jī)制，這些機(jī)制是保障總線通信可靠性的基礎(chǔ)。具體包括：
- 位錯誤（Bit Error）：當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位電平與總線實際電平不符時，就會檢測到這種錯誤。這可能是由于電磁干擾、線路故障等原因?qū)е碌摹?/li>
- 填充錯誤（Stuff Error）：在幀的起始幀、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和 CRC 序列中，CAN 協(xié)議采用位填充規(guī)則，即不允許出現(xiàn)連續(xù) 6 個相同極性的位。如果出現(xiàn)這種情況，就違反了位填充規(guī)則，檢測為填充錯誤。
- CRC 錯誤（CRC Error）：接收節(jié)點(diǎn)會對接收到的數(shù)據(jù)計算 CRC 校驗碼，并與接收到的 CRC 序列進(jìn)行比較。如果兩者不符，則判定為 CRC 錯誤，這通常意味著數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了改變。
- 格式錯誤（Form Error）：固定格式位場，如幀結(jié)束 EOF、ACK 界定符等，都有特定的格式要求。如果這些位場中出現(xiàn)非法位值，就會檢測到格式錯誤。
- 應(yīng)答錯誤（Acknowledgment Error）：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在 ACK 時隙未檢測到顯性位，表示沒有節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)，此時判定為應(yīng)答錯誤。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到上述任何一種錯誤時，會立即發(fā)送一個錯誤標(biāo)志（Error Flag）來通知總線上的所有其他節(jié)點(diǎn)。需要注意的是，除了應(yīng)答錯誤外，其他錯誤均可以在接收 CAN 單元中發(fā)生；除了 CRC 和格式錯誤外，其他錯誤均會在發(fā)送單元中發(fā)生。通過分析這些錯誤類型，可以縮小出問題的 CAN 節(jié)點(diǎn)范圍。
為了量化節(jié)點(diǎn)的錯誤狀況并界定其狀態(tài)，CAN 協(xié)議為每個總線單元配備了兩個關(guān)鍵計數(shù)器：
- 發(fā)送錯誤計數(shù)器（Transmit Error Counter, TEC）：用于記錄該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送過程中檢測到的錯誤。
- 接收錯誤計數(shù)器（Receive Error Counter, REC）：用于記錄該節(jié)點(diǎn)在接收過程中檢測到的錯誤。
計數(shù)規(guī)則如下：
- 接收器檢測到錯誤（位錯誤、填充錯誤、CRC 錯誤、格式錯誤）時，REC = REC + 1。
- 接收器在發(fā)送主動錯誤標(biāo)志后，檢測到的個位為 “顯性”（Dominant）時，REC = REC + 8。這一規(guī)則較為特殊，涉及錯誤標(biāo)志發(fā)送后的位確認(rèn)。
- 發(fā)送器發(fā)送一個錯誤標(biāo)志（無論主動或被動）時，TEC = TEC + 8。
根據(jù) TEC 和 REC 的數(shù)值，總線單元的狀態(tài)被嚴(yán)格劃分為三種，每種狀態(tài)對應(yīng)不同的總線行為權(quán)限，這有助于在 CAN 總線出現(xiàn)異常時進(jìn)行具體排查。
- 主動錯誤狀態(tài)（Error Active）：當(dāng) TEC 和 REC 均小于等于 127（0 <= TEC <= 127 且 0 <= REC <= 127）時，節(jié)點(diǎn)處于主動錯誤狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)可以正常參與總線通信。當(dāng)它檢測到錯誤時，會發(fā)送一個主動錯誤標(biāo)志（Active Error Flag），即連續(xù) 6 個顯性位。這是一個強(qiáng)力的錯誤通知信號，會強(qiáng)制中斷當(dāng)前幀的傳輸。
- 被動錯誤狀態(tài)（Error Passive）：當(dāng) TEC 大于 127 或 REC 大于 127（128 <= TEC <= 255 或 128 <= REC <= 255）時，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入被動錯誤狀態(tài)。此時，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)送主動錯誤標(biāo)志，只能發(fā)送一個被動錯誤標(biāo)志（Passive Error Flag），即連續(xù) 6 個隱性位。這個標(biāo)志的強(qiáng)度較弱，不會干擾總線上的顯性位，因此可能無法成功中斷其他節(jié)點(diǎn)的傳輸。此外，處于被動錯誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)在完成發(fā)送（幀或錯誤標(biāo)志）后，不能立即開始下發(fā)送。它必須在總線空閑期間，在正常的間歇（Intermission）之后，額外插入一段由 8 位隱性位組成的 “掛起傳送（Suspend Transmission）” 時間，然后才能嘗試競爭總線進(jìn)行下發(fā)送。這一限制降低了頻繁出錯的節(jié)點(diǎn)對總線的干擾。
- 總線關(guān)閉狀態(tài)（Bus Off）：當(dāng) TEC 大于 255（TEC >= 256）時，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)被強(qiáng)制斷開與總線的電氣連接，不允許進(jìn)行任何發(fā)送或接收操作，對總線完全無影響。這是一種保護(hù)機(jī)制，防止因節(jié)點(diǎn)硬件或軟件嚴(yán)重故障而持續(xù)破壞總線通信。節(jié)點(diǎn)需要特定的內(nèi)部條件，通常是檢測到總線連續(xù)空閑達(dá)到一定時間或次數(shù)，才能嘗試從總線關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)（通常是錯誤主動狀態(tài)），并重新開始通信。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系總結(jié)如下：
- 節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)通常為主動錯誤狀態(tài)。
- 當(dāng) TEC 或 REC 超過 127 時，節(jié)點(diǎn)從主動錯誤狀態(tài)進(jìn)入被動錯誤狀態(tài)。
- 當(dāng) TEC 達(dá)到或超過 256 時，節(jié)點(diǎn)（無論之前是主動還是被動錯誤狀態(tài)）進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)。
- 當(dāng) TEC 和 REC 都降低到 128 以下時，節(jié)點(diǎn)可以從被動錯誤狀態(tài)恢復(fù)到主動錯誤狀態(tài)。
- 從總線關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)需要滿足特定條件（如總線空閑檢測），并直接回到初始狀態(tài)（通常是主動錯誤狀態(tài)）。
CAN 總線的錯誤處理機(jī)制通過發(fā)送錯誤計數(shù)器（TEC）和接收錯誤計數(shù)器（REC），能夠量化節(jié)點(diǎn)的錯誤發(fā)生頻率?；谟嫈?shù)器的值，節(jié)點(diǎn)被動態(tài)地劃分為主動錯誤、被動錯誤和總線關(guān)閉三種狀態(tài)，每種狀態(tài)對應(yīng)不同的總線訪問權(quán)限和錯誤響應(yīng)方式（主動 / 被動錯誤標(biāo)志）。特別是被動錯誤狀態(tài)下的 “掛起傳送” 要求和總線關(guān)閉狀態(tài)的強(qiáng)制隔離，有效地限制了故障節(jié)點(diǎn)對總線整體通信的負(fù)面影響，確保了在部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時，關(guān)鍵通信仍能繼續(xù)進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：CAN 總線
